CC BY
198
Успехи в химии и химической технологии. Том XXVII. 2013. №9
УДК 502.3: 541
А.И. Недоступ, В.М. Лазарев
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПАРАМАГНЕТИЗМ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА И ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ НАД ПОЛЮСАМИ ЗЕМЛИ
Проведен анализ воздействия магнитного поля Земли на молекулярный кислород. Выявлены возможные причины образования озоновых дыр над полюсами.
Analyze the effect of the magnetic field of the Earth to molecular oxygen. Revealed possible causes of the formation of ozone holes over the poles.
Нашумевшие в своё время «озоновые дыры» и сейчас продолжают будоражить воображение как исследователей, так и простых обывателей. [1-3] Озон поглощает ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца, губительное для жизни на нашей планете. Что будет, если он пропадет? Химические свойства озона были изучены ещё в XIX веке, и последние 100 лет его присутствие в атмосфере количественно измеряется. Систематические наблюдения за озоновым слоем начались в 1957 г., когда ученые десятков стран объединились с целью изучения тайн Земли в рамках Международного Геофизического года. В дальнейшем наблюдения за озоновым слоем стали вестись со спутников, а вскоре - с пилотируемых космических кораблей и станций. Оказалось, что с 1957 до 1962 года озоновый слой становился тоньше, а после 1962 года количество стратосферного озона стало расти вновь. Чем обусловлен спад 60-го года до сих пор не известно. С фреонами это событие не может быть связано, поскольку тогда они производились в малых количествах. После 1962 года озоновый слой был относительно стабилен, а в 70-х годах XX века стало формироваться понятие «озоновых дыр». Однако, в целом процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы, оставались неясными. До сих пор подлинно не установлено: действительно ли уменьшалось количество озона, или он просто перераспределился из района «дыр» в другие области Земли.[4-5] Образование озоновых дыр пытаются объяснить многими факторами, однако ни в одной из работ не обращалось внимания на тот факт, что из всех ингредиентов воздуха парамагнитен только кислород - исходное сырьё для синтеза озона в атмосфере.
Для всеобъемлющего рассмотрения этой проблемы необходимо обратить внимание на строение молекул кислорода и озона. Среди ингредиентов атмосферного воздуха только молекулярный кислород проявляет ярко выраженные парамагнитные свойства. Строение молекулы О2 по методу МО ЛКАО можно представить следующим образом:
(a1s)2(a*1s)2(a2s)2(a*2s)2(л2px)2(л2py)2(a2pz)2(л*2px)1(л*2py)1.
То есть молекула O2 имеет два неспаренных электрона, и кратность связи (КС) в ней равна КС=(8-4)/2 = 2. [6] Наличие двух неспаренных электронов в молекуле вещества указывает на характерные парамагнитные свойства данного вещества.
Интересно поведение в магнитном поле парамагнитного вещества. Оно проявляется в том, что в зависимости от направления магнитного поля исследуемое вещество по-разному с пространственной точки зрения взаимодействует с ним. Парамагнетик ориентируется по магнитным силовым линиям и в зависимости от направления вектора магнитной индукции либо втягивается, либо выталкивается (рис.1).
Рис. 1. Взаимодействие парамагнетика с магнитным полем; парамагнетик втягивается(1) и выталкивается (2)
Рис. 2. Магнитное поле Земли. Sg -северный и южный географические полюса соответственно, Nm, Sm - северный и южный магнитные полюса соответственно
Состояние молекул кислорода может быть подобным в магнитном поле Земли (рис.2). Наибольшая напряженность магнитного поля Земли наблюдается над её магнитными полюсами вблизи поверхности: она составляет 0,66 Э. Сред-
нее значение напряженности магнитного поля Земли по всей магнитосфере приблизительно равно 0,5 Э. В общем случае модуль Н сильно зависит от географического положения рассматриваемой области.
Над южным полюсом (район Антарктиды) молекулы кислорода выталкиваются из воздушного объёма, что может привести к уменьшению концентрации О2. Озон состоит из трёх атомов кислорода и образуется при воздействии УФ излучения на кислород. Молекула О2 распадается на два атома кислорода, каждый из которых присоединяется к целой молекуле. Схему превращения кислорода в озон обычно представляют следующим образом:
*
О2 + О + М ^ О3 + М или
*
О2 + О2 ^ Оз + О-
Из приведенной схемы легко увидеть, что уменьшение концентрации кислорода приведет к уменьшению концентрации озона, поскольку только кислород является исходным сырьем для синтеза озона [7].
Воздействие магнитного поля над Северным магнитным полюсом не приведёт к увеличению озонового слоя по данной схеме. Молекулы кислорода должны втягиваться магнитным полем Земли, однако в связи с перемещением кислорода в результате втягивания магнитным полем может меняться концентрация О2 именно в том атмосферном слое Земли, в котором происходят процессы озонообразования. Распределение озона показано на рис. 3
Рис. 3. Динамика изменения размеров озоновой дыры и её смещения в Антарктиде;
концентрация озона в единицах Добсона [8]
В Арктике кислород втягивается полем Земли и происходит диффузия молекул кислорода по всему объёму, в Антарктиде - выталкивается, уменьшается концентрация исходных молекул О2 для образования О3.
--131 -
Доказательством этого служат следующие факты:
1. Именно на полюсах Земли обычно расположены озоновые дыры.
2. Эксперимент по течению жидких кислорода и азота между магнитными полюсами.
3. Давление столба воздуха над Антарктидой ниже, чем над Арктикой.
4. Смещение озоновых дыр вслед за смещением магнитных полюсов Земли.
5. «Озоновые карты» согласуются с положением магнитных полюсов Земли и их смещением со временем.
6. Снижение концентрации кислорода по высоте от уровня Земли.
Таким образом, основная причина озоновых дыр над полюсами Земли -парамагнетизм кислорода.
Библиографический список
1. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: Рольф, 2002. 576 с.
2. Данилов-Данилян В.И., Лосев К.С. Экологический взрыв и устойчивое развитие. М.: Прогресс-традиция, 2000. 416с.
3. Исидоров В.А. Еще немного об антарктической озоновой дыре и земенителях «озоноразрушающих фреонов»// Химия и жизнь.-2001.-№3.-С.18-19.
4. Кондратьев К.Я. Глобальные изменения на рубеже 2000 лет// Вестник РАН.-2000.-Т.70 №9.-С.788-796.
5. Кондратьев К.Я., Демирчан К.С. Климат Земли и «Протокол Киото». //Вестник РАН.-2005. Т. 71. С. 1002-1009.
6. Цирельсон В. Г. Химическая связь и межмолекулярные взаимодействия. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005. 132 с.
7. Кашкин В.Б., Рублева Т.В., Хлебопрос Р.Г. Природоохранная геофизика: проблемы озонового щита планеты. //Инженерная экология. 2009. №4. С. 18-33.
8. Schräder C. Das Ozonloch schließt sich [Электронный ресурс] // Süddeutsche Zeitung: сайт .— URL: http://sz.de/L1597809 (дата обращения 1.05.2013)/
УДК 004: 378
Д.В. Щербаков, М.П. Паркина, Ю.М. Артемкина, А.В. Матасов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва
ЭЛЕКТРОННЫЕ УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТУДЕНТОВ РХТУ им. Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
Для студентов РХТУ им. Д.И. Менделеева подготовлены электронные учебные и учебно-методические материалы по всем дисциплинам, которые изучаются на первом курсе, а также по некоторым дисциплинам, изучаемым на втором и третьем курсам. Помимо программ учебных курсов и планов лекционных и семинарских занятий, а также лабораторных работ на диске размещены образцы рубежных контрольных работ и экзаменационных билетов, перечень вопросов и тем, которые вы--132 -
