CC BY
60
Юрию Андреевичу Жданову, ученому - энциклопедисту, посвящается
УДК 574+544
«ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ» И ЭНЕРГИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ © 2005 г. В.П. Соколов
The calculation of lengths of waves with energy required for the scission of chemical conjunctions in molecules of oxygen, ozone, hydrocarbons, fluorohydrocarbons and chlorohydrocarbons indicates that molecules of oxygen and halogen-hydrocarbons are responsible for absorption of inflexible ultraviolet in ozone layer. Ozone is only an indicator of the scission of O2 molecules into atoms. It is assumed that "ozone holes" are of natural origin as they do not arise at the time of the pole night and they are disrupted by other atmosphere components as a result of high reactionary property. Table 1, 4 bibliographies.
Последние десятилетия в научной, научно-популярной литературе и СМИ звучит призыв к охране озонового слоя атмосферы Земли, так как в полярных областях атмосферы отмечается появление зон с пониженной концентрацией озона, так называемых «озоновых дыр».
Роль озонового слоя в защите всего живого на Земле от ультрафиолетового излучения известна. Некоторые авторы [1] подразделяют ультрафиолетовое излучение на три группы:
- Длинноволновое излучение УФ-А характеризуется слабым биологическим действием на человека.
- Средневолновое УФ-В сильно воздействует на кожный покров и обладает противорахитным действием.
- Коротковолновое УФ-С излучение отрицательно воздействует на тканевые белки и липоиды, сетчатку глаз и также может вызывать мутацию молекул ДНК.
Что же такое озон и поглощают ли его молекулы УФ - излучение? На первую часть вопроса ответ да1г «Химический энциклопедический словарь»: «Озон - О3, аллотропическая модификация кислорода... Легко разлагается (О3 ^ 02 + О); сильный окислитель; образует озониды. Содержание в воздухе летом -до 7 х 10-6 % по объему,
зимой - до 2 х 10 -6 %; в атмосфере максимальная концентрация на высоте 20 - 25 км, где О3 образует слой, защищающий Землю от УФ излучения. Получается при действии электрического разряда или УФ излучения на воздух» [2]. Образование озона протекает в две стадии. На первой стадии молекулы кислорода с поглощением энергии распадаются на атомы, содержащие по два неспа-ренных электрона, т.е. активные химические частицы - радикалы:
О2 ^О + О I.
На второй стадии атом кислорода взаимодействует с молекулой 02, образуя озон с выделением энергии:
О + О2 ^ О3 II.
Оба эти процесса обратимы, при этом обратный процесс II протекает с поглощением энергии. Расчет длин волн, обладающих энергией, необходимой для диссоциации молекул кислорода, озона и других соединений, приведен в таблице.
В таблице также приведены энергии диссоциации и других веществ, являющихся или основными компонентами воздуха (азот) или природными и техногенными загрязнителями атмосферы (метан, хлор- и фторуглеводороды, оксиды азота, которые могут быть и продуктами взаимодействия озона и азота). При этом рассматривались разрывы как С-Н, так и С-Х связей.
Из данных таблицы можно сделать вывод о том, что УФ-С поглощают молекулы кислорода, а не озона, для распада которого достаточно энергии ближнего инфракрасного излучения - 1118 нм, что подтверждается его неустойчивостью при видимом свете. Следовательно, можно и обозначить их роли в озоновом слое: в процессе диссоциации молекул кислорода поглощается жесткое УФ-С излучение, а озон, как вторичный продукт, является лишь только индика индикатором протекания этого процесса.
Так как озон представляет собой чрезвычайно реакционноспособное (как и атомарный кислород) и неустойчивое вещество, то под разрушением озонового слоя следует понимать два процесса:
- самопроизвольный распад его;
- взаимодействие его с другими молекулами, находящимися в этом слое атмосферы, преобладающее количество которых составляет азот.
Разрыв связей A H , кДж / моль [3] Л. нм
О2 ^ 20 498,4 240,0
О3 ^ O2 + O 107 1118
N2 ^ 2N 945,3 126,5
NO ^ N+O 632 189,3
гут быть причастны 160 химических реакций, в которых взаимодействуют около 40 соединений». Но основная роль в разрушении озонового слоя в мировой литературе отводится N02 , фреонам и метану.
Озон как активный реагент может вступать в реакции как с углеводородами, так и с малоактивным азотом, концентрация которого в атмосфере в 4 раза выше концентрации кислорода. По данным стандартных энергий Гиббса для индивидуальных соединений [3], нами рассчитаны стандартные энергии Гиббса для следующих реакций, значения которых свидетельствует о вероятности самопроизвольного протекания этих реакций.
Температура в озоновом слое (-80 ^ -90 0С) вносит весьма незначительные изменения в приведенные выше величины А в.
В вероятность участия в этих реакциях молекулярного азота выше, чем предварительная диссоциация молекул азота на атомы
NO2 ^ N + O2 439 272,5
N02 ^ NO + O 306 390,0
N2O ^ NO + N 481 248,7
CH4 ^ CH 3+ H ' 435 275,0
cf4 ^ cf3* + F * 540 221,5
CF2 ^CF '+ F ' 494 242,2
CH 3F ^CH3 + F * 469 255,0
CF3H ^CF3* + H ' 444 269,4
CF3 H ^CF2 H ' + F ' 535 223,6
CH 2 f2 ^-chf' + H * 420 284,8
CCl4 ^CCl*+Cl' 339 352,9
CHCl3 ^ CHCl'* + Cl * 320 373,8
CH 2Cl2 ^CHCl*+ H • 415 288,3
Как пишет С. Красносельский [4], «вообще-то по нынешним понятиям к разрушению озона мо-
N2 +O3 = N2O + O2; N2 + 2O3 = 2NO + 2O2 ; N2 + 4o3 = 2NO2 + 4o2 ; CH4 + O3 ^ CH3OH + O2 .
A G0 = -58,6 кДж /моль;
Д G0 = -152,3 кДж/моль; A G0= -547,8 кДж/моль; A G0= - 278,2 кДж/моль.
Исходя из вышеизложенного, наиболее вероятным является следующее объяснение географии и периодичности появления «озоновых дыр» в полярных областях:
- пониженное содержание кислорода в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы из-за отсутствия поступления кислорода по вертикали, так как на поверхности земли или отсутствуют растения (Антарктика), или их количество и производительность по кислороду незначительны (Арктика).
- падение солнечного излучения в полярных областях происходит под острым углом, поэтому излучение частично поглощается стратосферой средних широт и, следовательно, образованием меньшего количества озона.
Максимальное понижение концентрации озона в слое в большинстве случаев наблюдается в конце полярной ночи, что логично объясняется его самопроизвольным разложением или взаимодействием с другими веществами при отсутствии процесса его образования без солнечного облучения. Ведь не наблюдалось же образование «озоновых дыр» в экваториальной зоне, где солнце светит постоянно.
Из всего вышеизложенного с большой долей вероятности можно сделать следующие выводы.
1. Образование «озоновых дыр» в полярных областях Земли является естественным процессом. Губительный для всего живого «жесткий» ультрафиолет может достичь поверхности Земли при соответствующем снижении концентрации кислорода в атмосфере. А предпосылки для последнего есть - сокращение площади лесов и связывание атмосферного кислорода в техногенный диоксид углерода, часть которого выбывает из круговорота, связываясь с ионами жесткости в водах мирового океана.
2. Замена фреонов на углеводороды в аэрозольных упаковках не имеет большого значения, так как углеводороды окисляются озоном чаще всего по радикальному механизму и, следовательно, также способствуют расходу кислорода в озоновом слое.
Литература
1. Инженерная экология и экологический менеджмент: Учебник / Под ред. Н.И Иванова. И. М. Фадина. М., 2002.
2. Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. М., 1983.
3. Рабинович В. А., Хавин В. Я. Краткий химический справочник. Л., 1977
4. Красносельский С. // Химия и жизнь. 1989. № 2.С. 90 - 91
Волгодонский институт сервиса (филиал)
Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (ЮРГУЭС) 15 августа 2004 г.
