《环境化学试题》word版.doc

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1、1. If the pressure is 0.01 atm at an altitude of 38 km and 0.001 atm at 57 km, what is it at 19 km (ignoring temperature variations)?2. At an altitude of 50 km, the average atmospheric temperature is essentially 0C. What is the average number of air molecules per cubic centimeter of air at this alti

2、tude?3. 请计算标准状态下1ppmv甲烷、0.5ppmv二甲基硫（CH3SCH3）的摩尔浓度和质量浓度。在压力为5hPa、温度为-20时又是多少？（假定均为理想气体）4. 已知20时水的饱和蒸气压为2.34kPa，请分别计算20相对湿度为20%和55%时空气中水蒸气的体积浓度和质量浓度。（假定为理想气体）5. 术语翻译Fate, transport运输, transformation转换Stratification层化, 成层, 阶层的形成, Troposphere, Tropopause 对流顶层, Stratosphere, Mesosphere, ThermosphereAtmos

3、pheric chemistry大气化学, ozone, ultraviolet紫外线, sink汇，最终去向, wet deposition沉积作用, north hemisphere, Volatile organic compounds (VOCs), non-methane hydrocarbon (NMHC)碳氢化合物6. If the pressure is 0.01 atm at an altitude of 38 km and 0.001 atm at 57 km, what is it at 19 km (ignoring temperature variations)?答：

4、0.1atm7. At an altitude of 50 km, the average atmospheric temperature is essentially 0C. What is the average number of air molecules per cubic centimeter of air at this altitude?答：由由和数量浓度，可得：8. 请计算标准状态下1ppmv甲烷、0.5ppmv二甲基硫（CH3SCH3）的摩尔浓度和质量浓度。在压力为5hPa和-20时又是多少？（假定均为理想气体）答：标准状态下：1ppmv甲烷：摩尔浓度C=质量浓度A= 0.

5、5ppmv二甲基硫：摩尔浓度C=质量浓度A= 压力5hPa和-20状态下：1ppmv甲烷：摩尔浓度C=质量浓度A= 0.5ppmv二甲基硫：摩尔浓度C=质量浓度A=9. 已知20时水的饱和蒸气压为2.34kPa，请分别计算20相对湿度为20%和55%时空气中水蒸气的体积浓度和质量浓度。（假定为理想气体）RH蒸气压Pa体积浓度ppmv质量浓度mg/m30.24684618.83458.10.55128712701.79509.8体积浓度：质量浓度：10. 术语翻译Fate, transport, transformationStratification, Troposphere, Tropopa

6、use, Stratosphere, Mesosphere, ThermosphereAtmospheric chemistry, ozone, ultraviolet, sink, wet deposition, northhemisphere, Volatile organic compounds (VOCs), non-methane hydrocabon (NMHC)Fate归宿Transport传输Transformation转化Stratification分层，成层Troposphere对流层Tropopause对流层顶Stratosphere平流层Mesosphere中间层The

7、rmosphere热层Atmospheric chemistry大气化学ozone臭氧ultraviolet紫外线辐射，紫外线的sink汇wet deposition湿沉降northhemisphere北半球volatile organic compounds (VOCs)挥发性有机物non-methane hydrocabon (NMHC)非甲烷烃类大气化学作业21. Why is it that “highest levels of carbon monoxide tend to occur in congested urban areas at times when the maximu

8、m number of people are exposed?” 2. If a power plant burning 10,000 tons of coal per day with 10% excess air emits stack gas containing 100 ppm by volume of NO, what is the daily output of NO? Assume the coal is pure carbon.3. 已知下列化学键的键能，请计算使得这些化学键光解断裂的最大波长。键键能（kJ/mol）H-H436H-Cl432Cl-Cl243O=O498NN94

9、6H-C415C=O（二氧化碳）8044. 推导羟基自由基生成速率表达式羟基自由基（OH）是对流层重要的反应物，它是通过以下反应然而激发态氧原子O(1D)也可以进行如下反应而不生成羟基自由基(OH)：假定以上反应中O(1D)的浓度处于稳态，请写出羟基自由基（OH）生成反应的速率方程式（以上反应式中的J1，K1，K2，K3表示各反应的反应速率常数）。5. 对流层中甲烷、异戊二烯、CO与羟基自由基的反应可以用二级反应动力学描述，即，其中，具体参数见下表。同时可假定反应过程中对流层中羟基自由基处于稳态，浓度不变，为106个分子/cm3.s。我们定义物质浓度降低一个自然对数（即降低为初始浓度的1/e）

10、的时间为该物质的大气寿命，请计算以上物质在298K时的大气寿命。反应物质A (cm3.分子-1s-1)E/R(K)甲烷2.6510-121800异戊二烯25.410-12-410CO1.510-1306. 测定一个物质与羟基自由基OH的反应速率常数经常采用以下方法：将待测定物质A和另一物质B（物质B与羟基自由基的反应速率常数kB已知）放入同一个存在羟基自由基的反应器中，通过测定物质A和B的浓度随时间的变化，通过lnA0/At对lnB0/Bt作图以及已知的kB计算得到kA。请说明为什么。假定物质A和B与羟基自由基的反应均为一级反应（对A和B而言），同时假定反应过程中羟基自由基处于稳态。 7. 术

11、语翻译Methane 甲烷 Carbon monoxide 一氧化碳 carbon dioxide 二氧化碳 isoprene 异戊二烯terpene 萜烯 Ammonia 氨 nitrogen oxides氮氧化物nitrous oxide 一氧化二氮 Carbonyl sulfide 羟基硫 sulfur dixoide 二氧化硫 dimethyl sulfide 二甲基硫Halocarbon 卤代烃 Chlorofluorocarbons(CFCs)氯氟烃类hydrochlorofluorocarbons(HCFCs)氢氯氟烃类 hydrofluorocarbons (HFCs) 氢氟烃

12、类 Perhalocarbons 全卤代烃 halons 含溴代物 emission 散发 Photolysis 光分解ozone hydroxyl radical 羟基自由基作用photochemical reaction 光化学作用大气化学作业28. Why is it that “highest levels of carbon monoxide tend to occur in congested urban areas at times when the maximum number of people are exposed?” CO的一大来源是汽车，城市人多交通拥挤是自然有大量C

13、O排放，所以此时CO浓度最高。9. If a power plant burning 10,000 tons of coal per day with 10% excess air emits stack gas containing 100 ppm by volume of NO, what is the daily output of NO? Assume the coal is pure carbon.答：先根据下式计算空气量：化学反应式为 C的摩尔数为10000106g/12g/mol，相应O2也需要这么多的摩尔数，再考虑10%的过量，而氧气又占空气的21%，假定燃烧后空气体积不变（消

14、耗氧气产生CO2），所以燃烧后的空气体积为：所以产生的NO量为：10. 已知下列化学键的键能，请计算使得这些化学键光解断裂的最大波长。键键能（kJ/mol）相应波长nmH-H436274 H-Cl432277 Cl-Cl243492 O=O498240 NN946126 H-C415288 C=O（二氧化碳）804149 11. 推导羟基自由基生成速率表达式羟基自由基（OH）是对流层重要的反应物，它是通过以下反应然而激发态氧原子O(1D)也可以进行如下反应而不生成羟基自由基(OH)：假定以上反应中O(1D)的浓度处于稳态，请写出羟基自由基（OH）生成反应的速率方程式（以上反应式中的J1，K1，

15、K2，K3表示各反应的反应速率常数）。答：羟基自由基（OH）是对流层重要的反应物，它是通过以下反应然而激发态氧原子O(1D)也可以进行如下反应而不生成羟基自由基(OH)：假定以上反应中O(1D)的浓度处于稳态，请写出羟基自由基（OH）生成反应的速率方程式（以上反应式中的J1，K1，K2，K3表示各反应的反应速率常数）。答：12. 对流层中甲烷、异戊二烯、CO与羟基自由基的反应可以用二级反应动力学描述，即，其中，具体参数见下表。同时可假定反应过程中对流层中羟基自由基处于稳态，浓度不变，为106个分子/cm3.s。我们定义物质浓度降低一个自然对数（即降低为初始浓度的1/e）的时间为该物质的大气寿命

16、，请计算以上物质在298K时的大气寿命。反应物质A (cm3.分子-1s-1)E/R(K)甲烷2.6510-121800异戊二烯25.410-12-410CO1.510-130答：根据上表计算出上述物质在298K的反应速率常数，见下表反应物质A (cm3.分子-1s-1)E/R(K)k (298K) (cm3.分子-1s-1)甲烷2.6510-1218006.310-15异戊二烯25.410-12-41010110-12CO1.510-1301.510-13由于OH已知且为定值，因此由积分，可得到t时刻反应物的浓度表达式：。根据大气寿命的定义，为Ct/C=1/e时的反应时间，代入上式，可知大气

17、寿命所以甲烷、异戊二烯和CO的寿命分别为：反应物质大气寿命(小时）大气寿命（年）大气寿命（月）甲烷44025.762375.02577196异戊二烯2.762768712CO1851.8518522.57201613. 测定一个物质与羟基自由基OH的反应速率常数经常采用以下方法：将待测定物质A和另一物质B（物质B与羟基自由基的反应速率常数kB已知）放入同一个存在羟基自由基的反应器中，通过测定物质A和B的浓度随时间的变化，通过lnA0/At对lnB0/Bt作图以及已知的kB计算得到kA。请说明为什么。假定物质A和B与羟基自由基的反应均为一级反应（对A和B而言），同时假定反应过程中羟基自由基处于稳

18、态。答：反应过程中A、B与OH的反应均为一级反应，即 （1） （2）且OH处于稳态，因此以上两式可分别积分得到： （3） （4）（3）/（4）可得到：所以测定反应过程中A、B浓度的变化，lnA0/At对lnB0/Bt作图，得到一条直线，根据直线斜率和kB就可以得到kA。14. 术语翻译Methane甲烷Carbon monoxide一氧化碳carbon dioxide二氧化碳isoprene异戊二烯terpene萜烯Ammonia氨nitrogen oxides氮氧化物nitrous oxide一氧化二氮Carbonyl sulfide羰基硫sulfur dixoide二氧化硫dimethyl

19、 sulfide 二甲基硫Halocarbon卤代烃Chlorofluorocarbons(CFCs) 氯氟烃hydrochlorofluorocarbons(HCFCs) 氢氯氟烃hydrofluorocarbons (HFCs) 氢氟碳Perhalocarbons全卤烃Halons哈龙emission 排放photolysis光解ozone臭氧hydroxyl radical羟基自由基photochemical reaction光化学反应大气化学作业31. 请举例说明为什么大量烃类化合物和NOx排放到大气会导致大气臭氧浓度升高，请写出具体的反应式。2. 氮氧化物在对流层中是如何清除的？请写

20、出必要的反应式。3. 请写出大气中OH产生和破坏的反应式。4. 已知异戊二烯与O3、NO3的反应遵循一级反应动力学（对异戊二烯而言，总反应为二级），而且在298K的反应速率常数分别为：假定一天中O3和NO3的平均浓度分别为30ppbv和10pptv（假设反应均在一个大气压下进行）。根据上次作业中大气寿命的定义，计算异戊二烯通过与O3、NO3反应而去除的大气寿命。5. 接上题，乙烯与OH、与O3、NO3的反应速率常数分别如下：而OH=106 molecules/cm3。请分别计算乙烯与OH、与O3、NO3反应而去除的大气寿命。6. 颗粒物三模态的含义，对应模态颗粒物的来源及大小。7. 术语翻译P

21、eroxyacyl nitrates (PANs) Peroxyacetyl nitrate (PAN)scavenge termination reaction formaldehyde aldehydeAitken mode nucleation modeaccumulation mode coarse particle mode aerosol total suspended particulatesparticulate matter heterogeneous reactionphotochemical smog大气化学作业38. 请举例说明为什么大量烃类化合物和NOx排放到大气会导

22、致大气臭氧浓度升高，请写出具体的反应式。答：以CH4为例，与NOx一起排放到大气后，发生有如下反应：总反应式为： 由上述总反应式可以看出，CH4和NOx排放到大气后，在太阳光的作用下，经历大气羟基自由基链式反应后，会产生O3副产物。这类物质的大量排放，就可能导致大气臭氧浓度的上升。9. 氮氧化物在对流层中是如何清除的？请写出必要的反应式。答：氮氧化物排入到大气对流层后，首先发生氧化反应，转化为HNO3，然后通过干沉降和湿沉降从大气中去除。主要的途径有以下三条：a) 与羟基自由基反应而去除NO与HO2或O3反应生成NO2，而NO2可以与OH反应生成HNO3： HNO3可以均相或非均相成核，通过干

23、、湿沉降从大气中清除。这一部分对NOx清除的贡献大约在55-60%。b) HOONO2途径NO2和HOO自由基反应生成HOONO2，HOONO2和水中的亚硫酸根反应：这部分的贡献大约占25-40%。c) N2O5途径NO2和O3反应生成NO3，NO3再与NO2反应生成N2O5，N2O5再与水反应生成硝酸。这部分的贡献大约为5-11%。 10. 请写出大气中OH产生和破坏的反应式。答：大气对流层中OH主要由O3光解产生，反应式为：同时，在有氮氧化物存在情况下，随着碳氢化合物的氧化，OH自由基被不断地消耗和再生。在清洁大气和污染大气中，OH的破坏分别通过下述反应：清洁大气中： 污染空气中，11.

24、已知异戊二烯与O3、NO3的反应遵循一级反应动力学，而且在298K的反应速率常数分别为：假定一天中O3和NO3的平均浓度分别为30ppbv和10pptv（假设反应均在一个大气压下进行）。根据上次作业中大气寿命的定义，计算异戊二烯通过与O3、NO3反应而去除的大气寿命。答：先将O3、NO3的浓度分别转换为数量浓度，然后利用上一次作业所给出的大气寿命的大计算公式，即或分别计算异戊二烯通过与O3、NO3反应而去除的大气寿命，结果为：与O3的大气寿命29.37h；与NO3的大气寿命为1.66h。12. 接上题，乙烯与OH、O3、NO3的反应速率常数分别如下：而OH=106 molecules/cm3。

25、请分别计算乙烯与OH、O3、NO3反应而去除的大气寿命。答：类似上题计算，计算得到乙烯与OH、O3、NO3反应而去除的大气寿命见下表。大气寿命h大气寿命dOH32.71.36O32359.8NO35370.9223.813. 颗粒物三模态的含义，对应模态颗粒物的来源及大小。答：颗粒物三模态是Whitby于1976年提出的。他研究发现大气中的颗粒物具有规则的特征分布，按照他的模型，气溶胶粒子可以表示为三种模态，粒径小于0.05微米的粒子称为爱根模；粒径在0.05-2微米的粒子称为积聚模；粒径大于2微米的粒子称为粗粒子模。这三种模态的颗粒物有不同的来源，爱根模主要是气体冷凝得到的，而积聚模则是由气

26、粒转化或爱根模聚并而成的，粗粒子模则主要是从地面源物质通过风等机械力作用力而形成的，例如扬尘、海水飞沫等。14. 术语翻译Peroxyacyl nitrates (PANs) 过氧酰基硝酸酯Peroxyacetyl nitrate (PAN) 过氧乙酰硝酸酯scavenge 清除termination reaction 终止反应formaldehyde 甲醛aldehyde 乙醛Aitken mode 爱根模nucleation mode 核模accumulation mode 积聚模coarse particle mode 粗粒子模aerosol 气溶胶total suspended par

27、ticulates 总悬浮颗粒物particulate matter 颗粒物heterogeneous reaction 多相反应photochemical smog 光化学烟雾15. 对比课件中海洋和陆地气溶胶组分，请归纳说出其主要区别，并加以解释。16. 下图是不同粒径的气溶胶颗粒（分别为NaCl、硫酸铵）吸湿生长的曲线，请解释为什么都出现一个最大过饱和度。17. 已知大气中臭氧和过氧化氢的浓度分别为50ppbv和0.5ppbv，25时它们的亨利定律常数分别为1.110-2M/atm和1.0105M/atm，请计算1大气压、25时云水中臭氧、过氧化氢的浓度。当云中液态水的体积混合比wL为1

28、0-6时，请分别计算这两种物质在水相和气相中的质量比。18. 假定1个初始颗粒大小为0.1微米的液滴含有2mol/L的NaCl，请根据Kohler方程计算20C时这一颗粒在生长所需要的过饱和度。其中Kohler方程中的参数如下：A=0.66/T(微米)，（微米3），v-溶质离解产生的离子数，对于NaCl，v=2。ms液滴中的溶质的质量（单位为g），Ms溶质的分子量（g/mol）。20C时水的饱和蒸气压（平面）为3.1468kPa（请用EXCEL计算，画出如题2的曲线，颗粒粒径用对数坐标）。 19. 英译中（1） Aerosol particles in the rising part of t

29、he Khler curve are in stable equilibrium with their environments. However, the descending branch of the Khler curve describes unstable equilibrium states.（2） Nucleation of vapor substances 实质in the atmosphere can occur both homogeneously同类的, 相似的, 均一的, 均匀的and heterogeneously. 不同种类的、异类的 Heterogeneous

30、nucleation may take place at significantly lower supersaturations than homogeneous nucleation.大气化学作业4-参考答案20. 对比课件中海洋和陆地气溶胶组分，请归纳说出其主要区别，并加以解释。答：海洋和陆地气溶胶组分的主要区别在于以下三方面：l 电解质海洋气溶胶中所含电解质的总量多于陆地气溶胶，其中以Na+、Cl-、Mg2+为更甚，主要因为海洋气溶胶源于海水飞沫，海水中含有大量的盐类（NaCl、MgCl2等），使得电解质含量升高；但是陆地气溶胶中的Ca2+、SO42-、NO3-离子含量较高，这主要源于

31、地壳元素，以及排放的SO2、NOx污染物大气反应转化而来。l 无机组分陆地气溶胶中的无机组分含量大于海洋，是因为地壳岩石圈中无机物含量丰富，再加上风沙扬尘等也会带来一部分无机组分。l 有机组分陆地气溶胶中有机物含量多且成分复杂，尤其是未定性物质含量较海洋气溶胶多，主要原因为陆地上有非常多的生物物种，生物新陈代谢以及死亡后都会产生大量有机物；人类活动以及污染物的排放也会导致有机组分含量的增加。21. 下图是不同粒径的气溶胶颗粒（分别为NaCl、硫酸铵）吸湿生长的曲线，请解释为什么都出现一个最大过饱和度。答案提示：气溶胶颗粒吸湿生长分别受Rault定律和Kelvin效应的影响，前者表示在溶质影响下

32、，溶液的蒸气压下降；而Kelvin效应则表明越小颗粒对应的平衡蒸气压越高。Rault定律：定T、P的稀溶液中，溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的物质的量分数，。因此有溶质存在，即溶剂物质的量分数下降，溶液蒸气压下降。Kelvin效应：，因此其他条件都不变的情况下，颗粒直径越小，溶液蒸气压越大。曲线中最高点左边是刚开始吸收水分时，随着颗粒长大，溶质溶度下降，对应的蒸气压越来越高，即颗粒进一步生长所要求的过饱和度升高。最高点右边，颗粒已经被活化，则受Kelvin效应控制，即随着颗粒越来越大，凝结所需要的过饱和度越来越小。最高点是Rault定律和Kelvin效应的平衡点。22. 已知大气中臭氧

33、和过氧化氢的浓度分别为50ppbv和0.5ppbv，25时它们的亨利定律常数分别为1.110-2M/atm和1.0105M/atm，请计算1大气压、25时云水中臭氧、过氧化氢的浓度。当云中液态水的体积混合比wL为10-6时，请分别计算这两种物质在水相和气相中的质量比。解：1atm下50ppbv的臭氧分压由亨利定律得：； 0.5ppbv的过氧化氢分压 由亨利定律得：。 质量比50ppbv的臭氧水相和气相质量比为： 0.5ppbv的过氧化氢水相和气相质量比为：23. 假定1个初始颗粒大小为0.1微米的液滴含有2mol/L的NaCl，请根据Kohler方程计算20C时这一颗粒在生长所需要的过饱和度。

34、其中Kohler方程中的参数如下：A=0.66/T(微米)，（微米3），v-溶质离解产生的离子数，对于NaCl，v=2。ms液滴中的溶质的质量（单位为g），Ms溶质的分子量（g/mol）。20C时水的饱和蒸气压（平面）为3.1468kPa。（请用EXCEL计算，画出如题2的曲线，颗粒粒径用对数坐标）解：Excel计算如下表：DpA/DpDp3B/Dp3lnP/P0exp(lnP/P0)PS0.10.022150.0010.072-0.049850.951372122993.749-4.86370.110.0201360.0013310.054094666-0.033960.9666118130

35、41.705-3.339740.120.0184580.0017280.041666667-0.023210.977058913074.58-2.295040.130.0170380.0021970.032771962-0.015730.984389623097.648-1.561980.140.0158210.0027440.026239067-0.010420.989636443114.158-1.03730.150.0147670.0033750.021333333-0.006570.993454853126.174-0.655460.160.0138440.0040960.017578

36、125-0.003730.996272593135.041-0.373690.170.0130290.0049130.014654997-0.001630.998375743141.659-0.163380.180.0123060.0058320.012345679-4E-050.999959883146.644-0.004970.190.0116580.0068590.0104971570.0011611.001161413150.4250.1151870.20.0110750.0080.0090.0020751.002077153153.3060.206760.210.0105480.00

37、92610.0077745380.0027731.002776933155.5080.2767370.220.0100680.0106480.0067618330.0033061.003311823157.1920.3302260.250.008860.0156250.0046080.0042521.004261053160.1790.4251480.30.0073830.0270.0026666670.0047171.004727813161.6470.4718230.40.0055380.0640.0011250.0044131.004422253160.6860.4412670.50.0

38、04430.1250.0005760.0038541.003861443158.9210.3851870.70.0031640.3430.0002099130.0029541.002958743156.080.2949180.80.0027690.5120.0001406250.0026281.002631583155.0510.2622021.80.0012315.8321.23457E-050.0012181.001218953150.6060.1209412.80.00079121.9523.27988E-060.0007881.00078813149.250.0778563.80.00

39、058354.8721.31214E-060.0005821.000581753148.6010.0572214.80.000461110.5926.51042E-070.0004611.000460913148.220.0451385.80.000382195.1123.69019E-070.0003821.00038163147.9710.0372066.80.000326314.4322.28984E-070.0003261.000325563147.7940.0316027.80.000284474.5521.51722E-070.0002841.000283863147.6630.0

40、274338.80.000252681.4721.05654E-070.0002521.000251633147.5620.0242099.80.000226941.1927.64987E-080.0002261.000225973147.4810.02164310.80.0002051259.7125.71559E-080.0002051.000205063147.4150.01955211.80.0001881643.0324.38214E-080.0001881.000187693147.3610.01781512.80.0001732097.1523.43323E-080.000173

41、1.000173033147.3140.01634913.80.0001612628.0722.73965E-080.000161.000160493147.2750.01509623.89.31E-0513481.275.34074E-099.31E-051.000093073147.0630.00835333.86.55E-0538614.471.86459E-096.55E-051.000065533146.9760.005643.85.06E-0584027.678.56861E-105.06E-051.000050573146.9290.00410453.84.12E-05155720.94.62366E-104.12E-051.000041173146.90.00316463.83.47E-05259694.12.77249E-103.47E-051.000034723146.8790.002518