Anorganická Chemie:technologie

Průmyslová výroba anorganických látek

Výroba kyseliny sírové

Kyselina sírová i oleum (roztok SO₃ + H₂SO₄) se používají v rozmanitých odvětvích průmyslu. Používá se na při výrobě barev, léčiv, výbušnin, při výrobě plastů, syntetických vláken ale třeba i při rafinaci ropy a nebo při úpravách rud. Vyrábět se může buď komorovým (nitrózním) a nebo kontaktním způsobem.

Komorový (nitrozní) způsob

Nitrózní metoda, která se v současné době již téměř nepoužívá je založena na následujících reakcích. Oxid siřičitý, který vzniká spalováním síry, reaguje s vodou a oxidem dusičitým v komorách vyložených olovem:
S + O₂ → SO₂
SO₂ + H₂O + NO₂ → H₂SO₄ + NO
Oxid dusnatý se oxiduje vzdušným kyslíkem: 2NO + O₂ → 2NO₂ a oxidy dusíku odcházející z poslední komory se zachytí v Gay-Lussacově věži v koncentrované kyselině sírové:
H₂SO₄ + 2NO₂ → HOSO₂ONO + HNO₃
Tímto se vracejí do výrobního procesu v Gloverově věži, která je předřazená komorám:
2HOSO₂ONO + SO₂ + 2H₂O → 3H₂SO₄ + 2NO
2HNO₃ + 3SO₂ + 2H₂O → 3H₂SO₄ + 2NO
Z komorového způsobu se vyvinul ekonomičtější způsob věžový (komory nahrazeny systémem věží). Na první pohled člověku nemusí být úplně jasné, k čemu se NO přesně ve výrobě používá. Potom je dobré si reakce ještě jednou prohlédnout. Oxidy dusíku se při nitrozním způsobu výroby nespotřebovávají. Jsou do reakcí zapojeny jen jako přenašeče kyslíku.

Kontaktní způsob

Kontaktní způsob výroby je mnohem používanější. Dochází při něm ke katalytické oxidaci oxidu siřičitého na oxid sírový.
V₂O₅ + SO₂→SO₃ + 2VO₂
4VO₂ + O₂→2V₂O₅
Tento nově vzniknuvší oxid je pak pohlcován v koncentrované kyselině sírové. K tomuto se nepoužívá voda pro značnou výbušnost této reakce. S kyselinou sírovou dochází ke vzniku olea (roztok SO₃ + H₂SO₄) a z něho se získává kyselina sírová ředěním.

SO₃ + konc. H₂SO₄→H₂SO₄ (respektive H2S2O7)

Výroba amoniaku

Převážná část amoniaku se vyrábí katalyzovanou syntézou z prvků:
N₂(g) + 3H₂(g)→2NH₃(g)
Reakce je exotermická a probíhá s objemovou kontrakcí. Nikoho tak nepřekvapí, že její rovnováha se výrazně posouvá doprava zvýšením tlaku a snížením teploty. Při výrobě se proto pracuje v podstatě za těchto podmínek, aby však proces probíhal dostatečnou rychlostí, je nutné teplotu udržovat okolo 450°C. Katalyzátorem je elementární železo, které je aktivované přítomností Fe₃O₄, Al₂O₃ a CaO. Dusík pro syntézu se získává frakční destilací zkapalnělého vzduchu, vodík se získává nejčastěji z vodního plynu. Méně významným způsobem výroby je uvolňování amoniaku z čpavkových vod (koksárenských a plynárenských) účinkem Ca(OH)₂ nebo jiné silné zásady.
2NH₄⁺ + Ca(OH)2→Ca²⁺ + 2NH₃ + 2H₂O
Amoniak se buď zkapalňuje a přechovává se v ocelových tlakových nádobách, a nebo se rozpouští ve vodě za vzniku roztoku hydroxidu amonného.

Výroba kyseliny dusičné

Dnes je již prakticky jediným zdrojem kyseliny dusičné výrobní proces, při němž se plynný amoniak katalyticky spaluje ve směsi se vzduchem na oxid dusnatý:
4NH₃ + 5O₂→6H₂O + 4NO
Katalyzátorem jsou slitiny Pt-Rh a Pt-Pd. Pracuje se při teplotě asi 900°C a vzniklá plynná reakční směs se pak musí rychle ochladit, aby nedocházelo k rozpadu NO na dusík a kyslík. Vzniklý NO se pak samovolně oxiduje vzuchem na N₂O₄, který pak reaguje s vodou. Uvolňující se NO je recyklován a znovu oxidován na N₂O₄.
2NO + O₂→N₂O₄
N₂O₄ + H₂O→HNO₃ + 2NO + H₂O
Jednotlivé způsoby výroby HNO3 se liší v konkrétním postupu použitém při absorpci oxidů dusíku ve vodě. Uvedeným způsobem se produkuje roztok HNO₃ o koncentraci asi 50%. Ten může být dále zahuštěn destilací maximálně na 70% azeotropickou směs (směs ve které se látky destilací už nedají oddělit-už se vypařují naráz společně). Dýmavá kyselina dusičná (98%) se obvykle připravuje tak, že se kapalný N₂O₄ za přítomnosti O₂ a pod tlakem rozpouští v horké zředěné kyselině dusičné. Dříve byla používaná ještě výroba kyseliny dusičné z chillského ledku.

Zpracovávání NaCl

Na i NaOH jsou průmyslově významné látky, a obě vyráběny z halitu, tedy z chloritu sodného. Z něj se vyrábí především díky jeho dostupnosti a snadnému získávání. Elektrolýzou taveniny NaCl se vyrábí sodík. Děje, které při elektrolýze probíhají jsou následující:
2NaCl→2Na + Cl₂
K: 2Na⁺ + 2e-→2Na
A: 2Cl^- - 2 e-→Cl₂
NaOH se vyrábí elektrolýzou roztoku chloridu sodného, jiným názvem solanky a to hned několika způsoby. První je amalgánový způsob výroby:
NaCl → Na⁺ + Cl^-
K : Na⁺ + e- → Na
A : Cl^- - e- → Cl; 2Cl → Cl₂
Na + Hg → NaHg
2NaHg + 2H₂O → 2NaOH(aq) + 2Hg + H₂
Druhým způsobem výroby je elektrolýza diafragmovým způsobem:
NaCl → Na⁺ + Cl^-
K : Na⁺ + e- → Na
A : Cl^- - e- → Cl; 2Cl → Cl₂
2Na + 2H₂O → 2NaOH(aq) + H₂

Výroba kovů

Metalurgie železa

Surové železo se vyrábí ve vysokých pecích (litina) a železo kujné (ocel) se vyrábí ze surového železa. Vysoká pec je 30 až 50 metrů vysoká a je vyzděná šamotem, což je žáruvzdorný materiál. Vsázka (směs železné rudy, koksu a vápence) se před použitím upravuje, ale stejně obsahuje hlušinu (příměsi) a struskotvorné přísady (MgCO₃, CaCO₃, MgCO₃ . CaCO₃), ze kterých se struska vytvoří během procesu a plave na povrchu, a tudíž brání železu aby zkorodovalo. Koks v vsázce funguje jako palivo a redukční činidlo.
Po roztavení železné rudy a její redukci se dmýchá do pece vzduch, který se předehřívá kychtovými plyny. Tento vzduch na sebe naváže část příměsí a odnese je sebou nahoru, kde se mohou odsát. Takovéto železo obsahuje 2 až 5 % uhlíku, a tudíž je schopno tát bez předchozího měknutí a lze jej odlévat. Jinak obsahuje Mn, Si, P. Litina je těžká ale křehká a tvrdá. Její použití je dost omezené, 90% se dále zpracovává na ocel. Zbytek se používal na výrobu topných těles na nosné materiály velkých pil. Velice snadno koroduje. Vysoká pec může pracovat i 20 let v kuse.
Výroba oceli je založena na principu odstraňování nežádoucích příměsí jejich oxidací. Výsledný obsah uhlíku je menší než 1,7%, ale trocha tam musí být. To probíhá v konvertoru s perforovaným dnem nebo v nístějové peci (Siemens Martinská pec). Do roztavené litiny se vhání kyslík a uhlík, které naváží nechtěné příměsi a přemění je na jejich oxidy. Oxidy (Mn, Si, Fe, Ca) vytvoří strusku. Fosfor se odstraňuje z pece až po snížení obsahu uhlíku, který by vznikající oxid fosforečný redukoval. Ocel se dále tepelně zpracovává za vzniku:
• kalené oceli, procesem rychlého zahřátí a následného rychlého ochlazení, forma oceli se rozlišuje podle tepelného zpracování tato ocel je tvrdá ale křehká.
• popouštěné oceli, procesem rychlého zahřátí a pomalého ochlazování. Výsledná ocel je pevná a elastická. Legování je proces přidávání příměsí vedoucí ke zvýšení kvality oceli, vytvářením slitin.
• Nerez ocel, přidání Cr, Ni; nekorodující, používá se k nahrazování částí těla.
• Křemičitá ocel, přidání Si; chemická odolnost a pevnost, používá se na mostní konstrukce.
• Wolframová ocel, přidáním W; zvyšuje se teplotní odolnost, použití u řezacích nástrojů.

Aluminotermie

Hliník se používá v aluminotermii, což je metoda, pomocí níž jde získat celá řada prvků z jejich oxidů. Díky hodnotě jeho standardního elektrodového potenciálu - je silně elektropositivní. Naproti tomu kyslík je 2. nejelektronegativnějším prvkem, což způsobuje jejich vzájemnou afinitu. A Právě na velké afinitě hliníku ke kyslíku je aluminotermie založena.
Aluminotermicky lze mnohé kovy vyredukovat z jejich oxidů. Při reakci se uvolňuje velké množství tepla (reakce, přestože je nutno ji aktivovat zapálením reakční směsi, je silně exotermní a průběh je prudký až explozivní). Nejdřív musíme smíchat hliník s daným oxidem, čímž vytvoříme směs, které říkáme termit, která se může používat při sváření, třeba kolejnic. Probíhá přesně podle obecné aluminotermické rovnice:
Al + X₂O₃→X + Al₂O₃

Výroba kovů elektrolýzou

Speciální možností je výroba kovů elektrolytickou redukcí. I zde můžeme elektrolyzovat vícero materiálů. Jedním z nich je tavenina oxidů, hydroxidů a chloridů, která se používá pro získávání kovů s negativní hodnotou standardního redukčního potenciálu (Na, Mg, Ca, Sr, Ba, Al). Příměsi obsažené v tavenině často snižují její bod tání a zvyšují vodivost. Při reakci (např. MgCl₂) se nanodě se vylučuje elekronegativnější prvek (např. chlor) a na katodě elektropositivnější (např. hořčík).
Druhou možností je elektrolytická redukce vodných roztoků solí, která se používá pro získávání kovů přechodných s pozitivními nebo málo negativními hodnotami standardního redukčního potenciálu (např. Zn, Cu, Ag, Co, Ni, Cd, a další). Tento způsob se používá zejména při rafinaci kovů (přečišťování). Kovy získávají téměř 100% čistotu. Kromě toho lze tuto metodu použit k ochraně kovů proti korozi pokovováním (např. pozinkování, poniklování, pochromování).

Výroba skla

Při výrobě skla se nespotřebovává pouze SiO₂ ve formě křemene, jakožto základní látka na výrobu skla, ale spotřebuje se při něm také Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃, MgO, BaO, jakožto příměsi. Nejdříve se dokonale promísí sklářský písek (SiO₂) s uhličitanem vápenatým a uhličitanem sodným, vytvoří se sklářský kmen. Ten se zahřeje na teplotu 1400 až 1500°C roztaví se, z roztavené skloviny se odstraňují bublinky plynů přidáním tzv. čeřících látek, jako je As₂O₃; teplota musí být vysoká kvůli potřebě nízké viskozity. Po odstranění plynů se tavenina pomalu ochlazuje.
Složení skel se běžně udává vzorci, které jsou složené z oxidů Na₂O.CaO.6SiO₂. Sklářský písek s uhličitanem sodným reaguje za vzniku odpovídajících křemičitanů, které jsou rozpustné ve vodě a tak vzniká vodní sklo, které sklouží k impregnaci. Rozlišujeme několik typů skla:
• Křemenné sklo s čistým křemenným pískem SiO₂ se používá v chem. laboratoři Je křehké.
• Tabulkové sklo se používá běžně, není odolné vůči teplotě; Na₂CO₃ . CaCO₃.
• Draselné sklo je odolné vůči mechanickým vlivům; příměs potaže=K₂CO₃.
• Borosilikátové sklo je odolné vůči změnám teplot, používá se k výrobě těžkotavitelných trubiček; příměs B₂O₃ . K₂CO₃.
• Olovnaté sklo má vysoký index lomu; čím více Pb tím je měkčí, používá se v optice, na čočky a v bižuterii; příměs Pb_xO_y.
Základní látkou pro výrobu keramických nástrojů jsou hlinitokřemičitany. Hlinitokřemičitany jsou obsaženy většinou v hlínách, a nebo v kaolínu. Rozmícháním s vodou vytvoří soudržnou hmotu, kterou lze formovat, popřípadě řidší formu odlévat do forem. Po vypálení ztrácí vodu, vznikají tak keramické výrobky (pórovitý nebo sklovitý charakter). Na některých výrobcích se vytváří glazura. Používají je na výrobu cihel, tašek, hrnčířského zboží, porcelánu.
Sodnohlinitý křemičitan se jinak jmenuje ultramarín, z nichž se vyrábí barviva pro olejové barvy a porcelán, modřidla, bělí prádlo, papír i škrob.

Zdroje organických sloučenin

Můžeme je rozdělit na fosilní a recentní. Mezi ty fosilní patří ropa, zemní plyn, uhlí, mezi recentní patří především rostlinné zdroje.

Ropa

Vznikla z druhohorního mikroskopického planktonu, který se usazoval pod jílem a docházelo tak ke specifickému rozkladu uhlovodíků za nepřístupu vzduchu. Uhlovodíky s větším obsahem C než jsou 4 se rozkládali za vzniku ropy, menší obsah uhlíku dal vzniknout zemnímu plynu. Nikoho tedy nepřekvapí, že ložiska zemního plynu bývají nad, nebo v blízkém okolí ložisek ropy. Ropa je napuštěna v pórovitých minerálech pískovitého charakteru a uzavřeno neprostupnou vrstvou. Tlak zemního plynu tlačí ropu nahoru a tak v případě poškození kontinuity nepropustné vrstvy dochází k vytlačení ropy na povrch (viz. americké filmy o dolování ropy). ČR dováží ropu ze severního moře a ze Sibiře. Již ve vrtech se ropa zbavuje sulfanu a dalších látek a následně je vedena ropovody do rafinerií. Ropovod družba vede k nám ropu ze Sibiře, a Ingolstadt z Německa. V případě, že se přeprava ropovodem nevyplatí, se přepravuje ropa tankery.
Ropa obsahuje asi 1000 uhlovodíků a dohromady vytváří kapalné sloučeniny, kyslíkaté, sirné s dusíkaté deriváty, izomerní sloučeniny atd.…
Ropa se zpracovává frakční destilací v rafineriích. Ta má 3 základní složky. V trubkovité peci se ropa předehřívá na 300 až 400 °C a poté jde do atmosférické kolony, kde dochází k destilaci za atmosférického tlaku. V jednotlivých patrech kolony se postupně směrem dolu snižuje teplota. Tedy směrem dolů vznikají postupně frakce o delších a delších uhlovodíkových řetězcích.
Z nejvrchnějších pater odchází methan až butan, které se dále zpracovávají jako zemní plyn. Směrem dolů se v koloně dále zpracovává benzín (benzínová frakce) a z následující frakce se odvádí petrolej (neboli kerosin) (C10 – C16). Dále kolona pokračuje naftovou frakcí, kde se odvádí nafta a lehké topné oleje (C16 – C20). Lehký topný olej je v podstatě nafta. Důvod proč se tomu říká jinak je kvůli účelu použití na který se stahuje jiná daň (byrokratický rozdíl).Poslední frakcí se odvádí petrolejové oleje, které se krakováním převádí na benzín. Zbytek po atmosférické destilaci, mazut, již dále nelze atmosféricky destilovat. Buď se používá jako tzv. těžký topný olej nebo se zpracovává ve vakuové koloně (destilace za sníženého tlaku). V ní dochází k vytvoření lehkého, středního a těžkého (vazelína) mazacího oleje. Po vakuové destilaci také zůstává nezdestilovatelný zbytek, kterému se říká asfalt a používá se na stavbu pozemních komunikací.
Již jsem zmínila, že se petrolejové oleje či mazut krakují. Tento proces je prosté chemické upravení produktů jednotlivých frakcí. Z mazutu se za kovové katalýzy a za zvýšené teploty bez přístupu O₂ vytváří benzín či nafta. Parní krakování probíhá vháněním přehřáté páry do přehřáté kolony (s přehřátou ropou) za vzniku benzenu, toluenu a xylenů.

Benzín

Se nejčastěji používá jako palivo do spalovacích motorů. Benzín lze popsat jako směs uhlovodíků (C5 – C9). Při spalování dochází k vzniku řady produktů: CO₂, H₂O, NO_X, CO, R—CHO, O₂^2-, CH₄… Katalyzátor (tvořen z Rh, Pd, Pt, Ir) této reakce převádí nejnebezpečnější sloučeniny NO_X a CO na CO₂ a N₂. Při zážehu má explodovat sloupec palivových par. Když je tato exploze nadměrná, dochází k devastaci motoru, který je provázen klepáním motoru. Proti klepání se přidávají do benzínů antidetonační aditiva. Dříve to bylo tetraethylolovo (olovnatý benzín je dnes zakázaný), dnes methyl(tercbutyl) ether (MTBE). Nebo spíše 2,2 dimethylethyl(methyl)ether. Jako aditivum se může použít i CH₃OH a CH₃CH₂OH.
Pro určení kvality benzínu se používá oktanové číslo. Benzín se porovná se směsí heptanu a isooktanu (2,2,4-trimethylpentan) a použije se číslo isooktanu v poměru k heptanu. Při vytváření poměru je třeba brát ohled na to, že isooktan má mnohem lepší spalovací vlastnosti než heptan a tudíž vypadá poměr většinou takto: 5:95. Určuje, že daný benzín má stejné výbušné vlastnosti jako směs z 5 molekul Heptanu a 95 molekul isooktanu.
Benzíny se dají upravovat reformováním. Tedy katalytickou reakcí, kdy dochází k větvení lineárních uhlovodíků. Benzíny se dále používají v lékařství jako rozpouštědla, jako desinfekce, odmašťovadlo.

Nafta

Se také používá do motorů, tentokráte do zážehových. Je hustší, má vyšší T_T i T_V. Její kvalita se porovnává cetanovým číslem. A to stejným principem jako u čísla oktanového, s tím rozdílem, že nulové cetanové číslo má Naftalen a 100 má hexadekan (neboli cetan). Nafta se dříve používala v bojové technice, kdy se nafta, ztužená do formy gelu hlinitanovými mýdly s bílým fosforem, jako napalm. Po puknuít válce se nafta díky účinkům bílého fosforu rozhoří.

Zemní plyn

Součástí zemního plynu je méně uhlovodíků než v ropě. Nejzastoupenější je CH₄. Podle jeho obsahu dělíme zemní plyn na suchý: alespoň 97% CH₄ a na mokrý, který má menší zastoupení. Vedle něj se tam vyskytuje ještě ethan, propan, butan, tedy samé snadno zkapalnitelné plyny. Snížením teploty, lze udělat z mokrého ten suchý. Dále se ze zemního plynu získává sulfan, který se od něj odvádí reakcí s hydroxidem. Zemní plyn s obsahem sulfanu tvoří kyselý zemní plyn. Dále zemní plyn obsahuje vodík, CO₂, dusík. Používá se na svícení, topení. Do zemního plynu se přidává látka, která působí jeho zabarvení, když se transportuje, tak aby bylo rozpoznatelné, jestli plyn neuniká.

Uhlí

Černé uhlí – antracit se utvořilo z přesliček a plavuní v karbonu za vzniku. Z třetihorních rostlin vzniklo uhlí hnědé – lignit. Antracit je kvalitnější, protože obsahuje více C (95%) oproti lignitu (70%). Za nepřístupu vzduchu se začali rozkládat a procesem karbonizace (činností bakterií) vznikali dané vrstvy uhlí. Při těchto procesech se uvolňoval CH₄, tedy důlní plyn. Zásoby hnědého uhlí (povrchové) jsou na Mostecku, v Podkrušnohoří. Zásoby černého (hlubinné) jsou na Ostravsku a byly na Kladensku. Zásoby uhlí se odhadují na 400 let. Uhlí se může spálit rovnou, a nebo být zpracováno v koksárnách, kde se zpracovává koksováním, což je proces, při němž se uhlí zahřívá za nepřístupu vzduchu a vzniká při něm následující směs produktů:
• koks (98% C, téměř čistého uhlíku)
• koksárenský plyn, který je tvořen CH₄ a H₂,což dohromady dává svítiplyn a dále obsahuje CO, NH₃, H₂S, které se dále zpracovávají sirná hnojiva, a amonné deriváty. Svítiplyn slouží k lokálnímu vyhřívání.
• černouhelný dehet, což je kapalina, která obsahuje asi 300 látek a opticky se podobá ropě. Syntetizují se z ní nejrůznější organické látky, ale vzhledem k jeho nedostatku se většina z nich musí vyrábět i jinak, například hydrogenací uhlí, za vzniku benzínu a nafty (používalo se v Německu za 2SV) nebo zplyňováním uhlí, pomocí přehřáté vodní páry.
• vodní plyn (CO + H₂), který se může používat v generátorech, a nebo k lokálnímu svícení a vytápění. Také se z něj může syntetizovat methanol (oxidací) a postupně další až k HCOOH.

Ochrana životního prostředí

Jak člověk znečišťuje ovzduší? Atmosféru tvoří z 99% směs kyslíku a dusíku. Toto pozoruhodně stabilní složení si atmosféra udržuje (více či méně) už po miliony let. Docházelo sice k jejím změnám, ale ty byly způsobeny většinou přirozenou cestou, nikoliv organismy na Zemi žijícími.
Ale koncentrace některých dalších složek se však v průběhu posledních dvou stoletích značně změnila. Za tyto změny, jejichž střednědobé a dlouhodobé účinky ještě nejsou všechny známy, jsou do značné míry odpovědné lidské aktivity. Znečišťující plyny a částice tvoří jen nepatrnou část atmosféry a většina z nich má přírodní původ (sopky, lesní požáry).
Avšak rozvoj průmyslových činností během posledních dvou století značně zvýšil koncentraci těchto látek v ovzduší. Některé sloučeniny, jako například freony, před 100 lety v atmosféře vůbec neexistovaly. Mezi znečišťujícími plyny se oxid siřičitý (SO₂) podílí na vytváření kyselých dešťů, právě tak jako oxid dusičitý (NO₂). Oxidy dusíku se podílejí na vytváření smogu. Freony jsou hlavními viníky zeslabování ozonové vrstvy, ale mají také svůj podíl také jako skleníkové plyny spolu s metanem (CH₄), oxidem uhličitým (CO₂). Ostatní znečišťující látky v ovzduší jsou velmi různorodé. Toto znečištění zahrnuje velké částice (prach,saze), drobné částice kovu (olova, mědi, zinku, kadmia) a velmi jemné částice solí (dusičnanů a síranů) - tento druh znečištění atmosféry je obzvlášť škodlivý.
Znečištěny jsou vodní plochy a toky a tím se zhoršuje kvalita vodních ekosystémů, např. úhyny ryb nebo kontaminace sedimentů. Přebytek dusíku dodávaného zemědělci formou hnojiv, který rostliny nevyužijí, a je z půdy vyplaven do vody, představuje množství cca 45 kg na hektar. Nejzávažnější je kontaminace vody sloučeninami dusíku a fosforu. Zemědělství se na tomto stavu podílí v průměru 40% u dusíku a 32% u fosforu. Znečištění vod pesticidy je také závažným problémem. Vody jsou znečišťovány chemickou ochranou rostlin, haváriemi při výrobě, skladování, přepravě a likvidaci nepoužitých pesticidů.
V 80. letech způsobilo poplach vysoké znečištění vod Severního a Baltského moře, kam tečou mimo jiné i řeky z České republiky. Znečištění moří se projevovalo vysokým procentem nemocí živočichů (např. rakovina u ryb). U Labe na našem území se na počátku devadesátých let prokázala vysoká koncentrace kadmia, rtuti, arzenu, chrómu a stříbra. Nemocné ryby vyloví rybáři z české části Labe i dnes především v sousedství Spolany Neratovice.
Kontaminace půdy je způsobena výskytem lidmi vyrobených chemikálií v půdě nebo jiným pozměněním přírodního prostředí půd. Tento typ kontaminace obvykle vzniká protržením podzemních zásobníků, používáním pesticidů, prosakováním kontaminovaných povrchových vod do podzemních vrstev, vyluhováním odpadů ze skládek nebo přímým vypuštěním průmyslových odpadů do půdy.

Skleníkový efekt

Pokud za tento efekt může lidská aktivita, bylo by hlavní příčinou spalování fosilních paliv (ropa, uhlí, zemní plyn), vypalování lesů a některé další činnosti, které uvolňují do atmosféry velké množství tzv. skleníkových plynů, které způsobují oteplování naší planety. Pro tento jev se obecně používá označení skleníkový efekt.
Mezi skleníkové plyny patří například oxid uhličitý, který má asi 60 % podíl na skleníkovém efektu, fosilní paliva, tedy jejich spalováním se dostává do atmosféry asi 5,7 Gt uhlíku (2 Gt ročně zachytí moře a oceány, 2 Gt suchozemské organismy). Dále skleníkový plyn tvoří vodní pára, methan, oxid dusný a freony.
Skleníkový efekt souvisí s tepelným zářením zahřátého tělesa – Země a jeho pohlcováním zemskou atmosférou. Něco podobného pozorujeme i ve skleníku nebo fóliovníku. Naše Země se svojí “fólií”, znečištěnou atmosférou, se tak stává obrovským skleníkem, v kterém se teplota vůči normálu stále zvyšuje.
Slunce vysílá na Zem svoji energii ve formě elektromagnetického záření. Největší význam má záření s vlnovou délkou 300 – 2500 nm (viditelné a infračervené záření), které tvoří až 98 % dopadající energie. Část dopadajícího záření je odraženo zemskou atmosférou a oblaky, zbytek jí proniká a ohřívá zemský povrch (je nutné vzít do úvahy už známý fakt, že horní vrstvy stratosféry absorbují velkou část ultrafialové složky spektra – ozónová vrstva).
Krátkovlnná složka zahřívá zemský povrch, který vysílá tepelné záření zpět do spodních vrstev atmosféry. Atmosféra obsahující vodní páry, clonu oblaků, oxid uhličitý a další složky, toto záření nepropouští do kosmického prostoru, ale podstatnou část vrací zpět na zemský povrch.
Teplota zemského povrchu a spodních vrstev atmosféry je tedy jen z malé části výsledkem přímého slunečního záření, protože většina tepla pochází z tepelného vyzařování zemského povrchu. Proto jsou spodní vrstvy atmosféry teplejší a teplota směrem od zemského povrchu klesá.
Na Zemi působil přirozený skleníkový efekt vždy. Je způsobený hlavně přírodními zdroji skleníkových plynů (např. sopečná činnost). Tento jev zvyšuje průměrnou teplotu zemského povrchu asi o 33 ^oC. Bez přirozeného skleníkového efektu by její povrchová teplota byla asi –18 ^oC, což je střední teplota povrchu Měsíce, který nemá žádnou atmosféru, ale jinak se od Země neliší ani vzdáleností od Slunce ani složením.
Skleníkový jev nenajdeme jen na Zemi. Mars je vzdálenější od Slunce než Země, dostává z něj také méně energie. Kdyby neměl žádnou atmosféru, teplota jeho povrchu by se pohybovala okolo –57 ^oC. Ve skutečnosti se pohybuje kolem –47 ^oC; tedy díky skleníkovému efektu je teplota povrchu Marsu přibližně o 10 ^oC teplejší.

Ozon a ozonová vrstva

Ozonová vrstva je část stratosféry ve výšce 25 – 35 km nad zemským povrchem, v níž se nachází značně zvýšený poměr ozonu vůči běžnému dvouatomovému kyslíku. Hraje mimořádně významnou roli pro pozemský život, neboť chrání planetu před ultrafialovým zářením.
Její vlastnosti podrobně prozkoumal britský meteorolog Gordon Dobson, který také vyvinul jednoduchý spektrofotometr, kterým lze měřit stratosférický ozon z povrchu Země. Mezi roky 1928 a 1958 Dobson založil celosvětovou síť stanic monitorujících ozon, která funguje dodnes. Mírou množství ozonu ve sloupci nad povrchem je dobsonova jednotka, pojmenovaná právě po Dobsonovi.
K nárůstu obsahu ozonu zde dochází při střetu molekul kyslíku s fotony ultrafialového slunečního záření. Při střetu dojde k rozštěpení molekuly na dva atomy, které ihned reagují s okolními molekulami O₂ za vzniku ozonu. Molekula ozonu snadno absorbuje energii jiného UV-fotonu a výsledkem je snížení energie procházejícího ultrafialového záření. Freony je obchodní název uhlovodíků s florem a chlorem. Jsou to nereaktivní látky, nepolární rozpouštědla, nehořlavé látky, nejsou ani jedovaté, takže ideální věc pro použití jako hnací plyny do sprejů, chladící kapaliny do ledniček… V ozonosféře ale dochází k hemolýze molekuly, při které vznikají radikály chloru, které napadají ozon.

Tím se snižuje koncentrace ozonu v atmosféře. Radikály chloru jsou odolné, a jeden radikál může takto zničit až 100 molekul ozonu, než se naváže na jinou látku. K snížení využití freonů podepsali vyspělé státy Montrealský protokol, kterým se zavazují, že přestanou freony používat do roku 2000, tam, kde jsou nahraditelné, přestanou být používány úplně do roku 2040.
Freony jsou těkavé plyny s vysokou hustotou. Do atmosféry stoupají velice pomalu. Než dosáhnou ozonové vrstvy, uplyne asi 40 let od jejich vypuštění. Freony se označují freonovým kódem: C-1; H+1; F - od celkového počtu uhlíků se odečte jeden, k celkovému počtu vodíků se přičte jeden a k tomu celkový počet fluorů: CF2Cl2 – freon 12. Freony se mohou dále dělit na měkké (obsahují H) a tvrdé (neobsahují H).
Freony jsou jednou z látek, které působí úbytek ozonu v atmosféře a působí tak rozšiřování ozonové díry. To je místo ve stratosféře, kde byl poměr ozonu a kyslíku opět zmenšen. Ozon tak neplní svoji funkci, tak jak by měl. Ozonová díra se rozprostírá nad Antarktidou. Byl zaznamenán nárůst případů rakoviny kůže a zrakových onemocnění v oblasti blízkých především jižnímu pólu (Nový Zéland, Patagonie). Dnes se tímto problémem potýká i Austrálie.

Kyselé deště

Kyselý déšť je definován jako typ srážek s pH nižším než 5,6. Normální déšť má pH mírně pod 6, je tedy mírně kyselý. Toto přirozené okyselení způsobuje oxid uhličitý, který tvoří s vodou slabou kyselinu uhličitou.
Kyselý déšť je způsoben také oxidy síry pocházejícími ze sopečné činnosti a spalování fosilních paliv, nebo také oxidy dusíku pocházejícími například z automobilů. Jakmile se rozptýlí do atmosféry, začnou reagovat s vodou za tvorby sirných a dusíkatých kyselin, které padají na zem ve formě deště. Může také vznikat malé množství kyseliny chlorovodíkové. Zvýšená kyselost v půdě a ve vodních tocích se nepříznivě projevuje na rybách a rostlinstvu. Kyselý déšť také urychlí zvětrávání uhličitanových materiálů (například vápencové skály nebo i omítek na budovách atd.). Kyselé deště vznikají na základě této reakce pro síru a pro ostatní prvky analogicky:
S(s) + O₂(g)→SO₂(g)
2SO₂(s) + O2(g)→2SO2(g)
SO₃(g) + H₂O(l)→H₂SO₄(aq)

Smog

Smog je chemické znečištění atmosféry, které je způsobené lidskou činností. Název pochází z anglického spojení dvou slov smoke (kouř) a fog (mlha). Jedná se o jev, během kterého je atmosféra obohacena o složky, které v ní normálně nejsou a které jsou škodlivé pro zdraví. Z odborného hlediska se smog rozlišuje na dva typy.
Redukční smog (též londýnský nebo zimní), je označení pro složeninu městského a průmyslového kouře s mlhou, vyskytující se během roku typicky v zimních podmínkách s výraznými přízemními inverzemi teploty vzduchu. V závislosti na průmyslovém znečištění moderní společnosti je zimní smog složen převážně z oxidů siřičitého SO₂ a některých dalších látek, které snadno podléhají oxidaci. Tyto látky mají často silně redukční účinky na své okolí.
Oxidační smog byl objeven ve 40. letech v kalifornském městě Los Angeles. Bývá označován též jako kalifornský, losangelský, fotochemický či letní smog. Tento druh smogu má silné oxidační, agresivní, dráždivé (na sliznice, dýchací cesty, oči atd.) a toxické účinky. Jde o znečištění vzduchu, které vzniká v městských oblastech vlivem působení slunečních paprsků na některé složky dopravních exhalací. Jeho součástí jsou převážně vysoké koncentrace přízemního ozónu, díky kterému může být pozorován jako namodralý opar, a směs uhlovodíků, oxidů dusíku (NO_x) a uhlíku (CO, CO₂). Dochází k tomuto:

Emise a imise

Látky, které jsou většinou antropogeně vypouštěny do přírody (vzduchu, vody, půdy) jsou často označovány za emise, popřípadě imise. Emise je výraz, který popisuje pohyb něčeho ven. Velmi často se emise používá jako termín pro polutanty (např. výfukové plyny), vznikající nejčastěji spalováním paliv v ohništi, pecích, kamnách, boileru, automobilech.
Imise je emise, která se dostala do styku s životním prostředím. Mohou se kumulovat v půdě, vodě či v organismech. V praxi jsou imisemi například těžké kovy nebo jiné znečišťující látky, které se ukládají v životním prostředí, například podél silnic nebo v potravním řetězci.

Odsiřovací metody

Obsah síry v uhlí kolísá podle druhu i místa původu a pohybuje se v rozmezí 0,5 % až 10 % hmotnosti. V černém uhlí je obsah síry nižší než v hnědém, obvykle kolem 1 %. České hnědé uhlí má asi 1 až 3 % síry. Síra se vyskytuje v uhlí v pyritické formě (FeS₂), v různých organických sloučeninách, ve formě síranů a může být i v čisté formě. Předpokládá se, že veškerá síra v palivu přechází při spalování ve velkých topeništích do spalin ve formě SO₂ a malá část, u hnědého uhlí asi 5 %, přechází do popela.
Může probíhat několika metodami:
• regenerační - aktivní látka se po reakci s oxidem siřičitým regeneruje a vrací zpět do procesu, oxid siřičitý se dále zpracovává
• neregenerační - aktivní látka reaguje s SO₂ na dále využitelný nebo nevyužitelný produkt a zpět do procesu se nevrací
• mokré - SO₂ se zachycuje v kapalině nebo vodní suspenzi aktivní látky
• polosuché - aktivní látka je ve formě vodní suspenze vstřikována do proudu horkých spalin, kapalina se poté odpaří a produkt reakce se zachycuje v tuhém stavu
• suché - SO₂ reaguje s aktivní látkou v tuhém stavu
České elektrárny používají jako metodu pro odsíření spalin převážně mokrou vápencovou vypírku. V absorbéru (nádobě o průměru 15 m a výšce 40 m) procházejí kouřové plyny několikastupňovou sprchou, která rozstřikuje vápencovou suspenzi, tj. rozemletý vápenec ve vodě.
CaCO₃ . nH₂O + SO₂→Ca(HSO₃)₂ +H₂O + CO₂→ Ca(HSO₃)₂ . 2H₂O + CO₂
Vzniklý produkt - tzv. energosádrovec - lze výhodně využít pro výrobu sádry, stavebních dílů, cementu a stabilizátu.

Eutrofizace vod

Eutrofizace vod je jejich obohacování o živiny, zejména dusík a fosfor. Rozlišujeme přirozenou a antropogenní eutrofizaci. Přirozená eutrofizace je způsobena vyluhováním dusíku a fosforu z půdy a rozkladu odumřelých organismů. Antropogenní eutofizace vod vzniká splachem dusíkatých a fosforečných hnojiv z polí, splaškovými vodami se zvýšeným obsahem fosforečnanů /ze saponátů/, z fekálií apod. Vlivem eutrofizace vod dochází k přemnožení sinic a bakterií, které post morti (po smrti) uvolňují ze svého těla toxiny, jež jsou jedovaté a způsobují např. podráždění kůže aj. kvetení rybníků (eutrofní nádrže).

Zhutňování půd

Zhutňování půd je způsobeno pojezdy těžkých strojů po polích a poškozením edafonu, který půdu kypří. Spodní vrstvy tak zůstanou stlačené i po orbě (neodstraní ani hluboká orba), tím je přerušená kapilarita a dochází k zabránění vzlínání živných roztoků a zároveň je zhoršené provzdušňování půdy. Dochází také pouze k malému vsakování vody po dešti, čímž se vytváří povrchové kaluže, na sklonech pak dochází k rychlému odtoku, aniž by se voda využila. Deficit vody je pak znatelný zvláště ve spodních vrstvách. Tento problém se v současnosti řeší vhodným užíváním hnojiv, pesticidů, obnovou zeleně a dodržováním agrotechnických postupů.

Spotřeba kyslíku

Rozlišujeme a určujeme 2 veličiny, které označují spotřebvu kyslíku. První je chemická spotřeba kyslíku, ta druhá se jmenuje biochemická spotřeba kyslíku.
Chemická spotřeba kyslíku ( CHSK ) je definována jako množství kyslíku, které se za přesně vymezených podmínek spotřebuje na oxidaci organických látek ve vodě se silným oxidačním činidlem. Hodnota CHSK je mírou celkového obsahu organických látek ve vodě.
BSK je zkratka pojmu biochemická spotřeba kyslíku. Je to údaj, který se používá především při analýze vod (povrchových, odpadních apod.). Udává množství kyslíku, které je třeba k úplné oxidaci biologicky odbouratelných látek obsažených ve zkoumané vodě. Obecně platí, že čím vyšší je hodnota BSK, tím je voda z hlediska rozpuštěných organických látek znečištěnější.

Pitná voda

Pitná voda se získává úpravou surové vody. Surová voda se získává z podzemních nebo povrchových zdrojů. Z některých zdrojů – zejména podpovrchových – je možné získat pitnou vodu bez úpravy.
Ke shromažďování povrchové vody slouží vodárenská nádrž (přehrada), v níž se nachází odběrová věž s několika odběrovými šachtami v různých hloubkách. Odebírá se podle příkazu z úpravny vody, která bývá v blízkosti přehrady. Vhodná teplota pro odběr je méně než 12 °C.
Výjimečně se využívá umělé filtrace a sorpční schopnosti půdního sedimentu, protože řasy často ucpávají filtraci. Voda z toku se nechá infiltrovat z umělých nádrží do podzemí a z podzemí se poté čerpá. Příkladem může být vodárna v obci Káraný, která od r. 1911 vyrábí kvalitní pitnou vodu pro přibližně třetinu Prahy a řadu dalších obcí a měst Středočeského kraje. Třetí možností je čerpání z podpovrchových zdrojů z podzemních vrtů.
Surová voda se odvádí do úpravny vod. Tam se upravuje (mechanické předčištění, chemické čeření, filtrace přes pískové filtry, odstranění iontů železa a manganu, někdy i částečné odstranění dusičnanů a dusitanů, dezinfekce). Pak směřuje do vodojemů a z nich se vodovody dopravuje k spotřebitelům.

Destilovaná voda

Jen pro zajímavost. Veškerá voda používaná jako destilovaná (i ty prodávané třeba na dolévání autobaterie) se dnes už skutečnou destilací (metody využívající k oddělené více látek různé teploty varu těchto látek) nevyrábí. Důvodem jsou veliké energetické nároky na ohřívání vody k varu a také obrovská spotřeba vody na chlazení používaná v chladící části. Dneska se používá speciální systém několika filtrů, včetně speciálních membrán, které vodu dokonale vyčistí na stejnou kvalitu, jako bychom získali destilací.
Název pro takto čistou vodu, ale zůstal destilovaná voda.