Озонові дірки

Еколого - природничий  ліцей № 116

 

 

 

Реферат з  хімії

«Озонові  дірки»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор роботи:

Учениця 11- Б класу

Лабжинська  Маргарита

 

 

 

 

 

 

Київ - 2010 

Зміст

1 Історія 

2 Механізм утворення 

2.1 Хлорний цикл ClOx

2.2 Азотний цикл NOx

2.3 Водневий цикл HOx

3 Наслідки 

4 Відновлення 

5 Упередження стосовно озонової  діри 

5.1 Основними руйнівниками озону  є фреони 

5.2 Перехід на озонозберігаючі  технології економічно обгрунтований 

5.3 Фреони дуже важкі, щоб досягти  стратосфери 

5.4 Основні джерела галогенів природні, а не антропогенні

5.5 Озонова діра повинна знаходитися  над джерелами фреонів 

5.6 Озон руйнується тільки над  Антарктикою 

6 Цікаві факти 

7 Див. також 

8 Примітки 

9 Посилання 

10 Література 

 

 

 

Озонова діра

 

Озонова діра - локальне падіння концентрації озону в стратосфері на 10—40%. Пов'язано це з дією фреонів, зменшенням кількості кисню при запусках космічних кораблів та польотами реактивних літаків. Чітко виявляється при надмірно низьких температурах. Загальноприйнята в науковому середовищі теорія, за якою в другій половині XX століття вся зростаюча дія антропогенного чинника у вигляді виділення хлор- і бромвмісних фреонів (CFC) привела до значного зменшення озонового шару. Згідно з іншою гіпотезою, процес утворення «озонових дір» значною мірою природній і не пов'язаний винятково з шкідливою дією людської цивілізації.

 

 

Історія

Озонова діра діаметром понад 1 000 км вперше була відкрита 1985 року в Південній  півкулі над Антарктидою групою британських вчених. Вона з'являлася кожний серпень, до грудня або січня припиняючи своє існування. Над Північною півкулею в Арктиці утворювалася інша діра, значно меньших розмірів.

 

Механізм утворення

 

Стратосферна хімія озонуМеханізм  синтезу, а також розпаду (фотоліз) озону, був запропонований Сіднеєм  Чепманом в 1930 році й носить його ім'я. Реакції утворення озону:

 

• О2 + hν → 2О + 2О2 → 2О3

 

Фотоліз молекулярного кисню відбувається в стратосфері під впливом  ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 175—200 нм і до 242 нм.

 

• О3 + hν → О2 + О

 

• О3 + O → 2О2

 

Озон витрачається в реакціях фотолізу і взаємодії з атомарним киснем: До зменшення концентрації озону  в атмосфері веде сукупність чинників, головним з яких є руйнування молекул  озону в реакціях з різними  речовинами антропогенного і природнього походження, відсутність сонячного випромінювання протягом полярної зими, особливо стійкий полярний вихор, який перешкоджає проникненню озону з приполярних широт, і утворення полярних стратосферних хмар (ПСХ), поверхню частинок якого каталізують реакції розпаду озону. Ці чинники особливо характерні для Антарктики, в Арктиці полярний вихор набагато слабкіший за причини відсутності континентальної поверхні, температура вище на декілька градусів, ніж в Антарктиці, а ПСХ меньш поширені, до того ж мають тенденцію до розпаду на початку осені. Будучи хімічно активними, молекули озону (O3) можуть реагувати з багатьма неорганічними і органічними сполуками. Головними речовинами, що вносять внесок в руйнуванню молекул озону є:

 

прості речовини (водень (H2), атоми  кисню (O), хлора (Cl), брому (Br)),

неорганічні сполуки (хлороводень (HCl), монооксид азоту (NO)),

органічні сполуки (метан (CH4), фторхлор- і фторбромфреони, які виділяють  атоми (Cl) і (Br)).

На відміну, наприклад від гідрофторфреонів (HFC), які розщеплюються до атомів фтору, які, у свою чергу, швидко реагують з водою (H2O) утворюючи стабільний фтороводень (H2F2). Таким чином, фтор (F) не бере участь в реакціях розпаду O3. Йод також не руйнує стратосферний озон, оскільки йодовмісні органічні речовини майже повністю витрачаються ще в тропосфері.

 

В залежності від ланцюга реакцій, окрім механізму Чепмана (кисневий цикл Ox), виокремлюють ще три цикли  руйнування озону: галогеновий, азотний, водневий. Діяльність людини збільшила  галогенову частку розкладу захисного шару Землі. Частка розкладу озону, в залежності від циклу руйнування

 

 

Хлорний цикл ClOx

 

Схема реакції галогенів в стратосфері  Землі, реакції з озоном включноХлорний цикл є різновидом галогенного циклу.

 

• CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl

 

• Cl + O3 → ClO + O2

 

• ClO + O → Cl + O2

 

Азотний цикл NOx

Оксиди азоту грають важливу  роль в реакціях руйнування озону  в середній стратосфері. Не дивлячись  на те, що азоту в атмосфері більше, ніж будь-якого іншого газу, утворення  його оксидів безпосередньо з  молекулярного азоту замале, оскільки молекула N2 дуже стабільна, фактично інертна. Для її розпаду потрібно багато енергії, наприклад розряд блискавки або дуже жорстке випромінювання, сонячні протони або галактичне випромінювання. В стратосфері цього немає, тому основним джерелом оксидів озота (NOx) є закис азоту (N2O), який утворюється на поверхні Землі і в океанах головним чином результатом діяльності бактерії. Людина теж вносить свій внесок — третина від всього закису азоту. Головною реакцією, за якою N2O перетворюється в NOx є наступна:

 

• N2O + O(1D) → NO + NO

 

Вона може протікати тільки вдень, тільки за наявності Сонця. Потім NO вступає в реакцію з озоном, попутно руйнуючи його, що приводить  до утворення іншого оксиду азоту, NO2:

 

• О3 + NO → NO2 + О2

 

Ця реакція може протікати і вночі, тому концентрація двоокису азоту росте в темний час доби, оскільки вдень вона перетворюється назад по реакціях:

 

• NO2 + О → NO + О2

 

• NO2 + hν → NO + О

 

Третій оксид азоту, вже з  трьома атомами кисню в молекулі, який знову таки реагує з озоном:

 

• NO2 + О3 → NO3 + О2

 

Він перетворюється назад в NO і NO2 через  фотоліз:

 

• NO3 + hν → NO2 + O

 

• NO3 + hν → NO + О2

 

Тому знову таки його вночі більше, ніж вдень. Таким чином, оксиди азоту  реагуючи з озоном збільшують число  атомів кисню в своїх молекулах, а потім втрачають їх в реакціях з атомарним киснем або при фотолізі. Сумарно це приводить до загибелі озону. Процес цей ланцюговий і циклічний, оксиди азоту в ньому можуть розглядатися як каталізатори.

 

Водневий цикл HOx

Іншою важливою родиною речовин руйнуючих озон є радикали OH- і HO23+, об'єднувані загальною формулою HOx. Їх можна розглядати як оксиди водню. Проте на відміну від звичайних оксидів вони дуже реакційнопотентні (не можуть існувати як речовина, оскільки володіють неподіленою електронною парою, тобто є радикалами). Якщо два такі радикали зустрінуться разом, то вони прореагують один з одним, рекомбінують, утворюючи зовсім іншу речовину, наприклад два HO- радикали дадуть перекис водню (H2O2). Основним джерелом утворення HOx є реакція водяної пари з сінглетним атомом кисню:

 

• Н2O + О(1D) → OH + OH

 

Ця реакція дуже схожа на реакцію  в якій закис азоту N2O, реагуючи теж  з сінглетним киснем дає дві молекули NO. Важлива реакція з метаном:

 

• СН4 + О(1D) → СН3 + OH

 

Аналогічні реакції:

 

• ОН + О3 → НО2 + О2

 

• НО2 + О → ОН + О2

 

• НО2 + О3 → ОН + 2О2

 

В них гинуть дві молекули озону  і регенерується OH- радикал, цикл замикається. OH- далі знову вступає в реакцію  з озоном. Повний хімічний механізм складається з сотень реакції.

 

Наслідки

 

Затримка озоновим шаром ультрафіолетового випромінюванняОслаблення озонового шару усилює потік сонячної радіації на землю і викликає у людей зростання числа ракових утворень шкіри. Також від підвищеного рівня випромінювання страждають рослини і тварини.

 

Відновлення

Хоча людством були вжиті заходи по обмеженню викидів хлор- і бромвмісних  фреонів шляхом переходу на інші речовини, наприклад фторвмісні фреони (CFC), процес відновлення озонового шару займе декілька десятиріч. Перш за все це обумовлено величезним об'ємом вже накопичених в атмосфері фреонів, які мають час життя десятки і навіть сотні років. Тому затягування озонової діри не варто чекати раніше 2048 року.

 

Упередження стосовно озонової діри

Існує дещо широко поширених міфів  відносно утворення озонових дір. Не дивлячись на свою ненауковість, вони почасти з'являються в ЗМІ— іноді  завдяки непоінформованості, іноді  підтримувані прихильниками теорій змов. Нижче перераховані деякі з них.

 

Основними руйнівниками озону є  фреони

 

Молекула фреонаЦе твердження справедливе  для середніх і високих широт. В інших широтах хлорний цикл відповідальний тільки за 15—25% втрат  озону в стратосфері. При цьому  необхідно відзначити, що 80% хлора (Cl) має антропогенне походження.[8] Тобто втручання людини сильно збільшує внесок хлорного циклу. І при тій тенденції що була, щодо збільшення виробництва фреонів (до вступу в дію Монреальського протоколу) зростанння 10% на рік) 30%—50% загальних втрат озону в 2050 році обумовлювалось би дією фреонів (CFC). втручання людини процеси утворення озону і його руйнування знаходилися в рівновазі. Але фреони, що викидаються при людській діяльності, змістили цю рівновагу у бік зменшення концентрації озону. Що ж до полярних озонових дір, то тут ситуація абсолютно інша. Механізм руйнування озону в принципі відрізняється від більш низьких широт, ключовою стадією є перетворення неактивних форм галогенвмісних речовин в оксиди, яке протікає на поверхні частинок ПСХ. В результаті практично весь озон руйнується в реакціях з галогенами:

 

за 40—50% відповідальний хлор,

за 20—40% — бром.

Перехід на озонозберігаючі технології економічно обгрунтований

Росія прийняла на себе всі зобов'язання СРСР, і з 2000 року відповідно до Монреальського протоколу в країні припинено виробництво озоноруйнуючих речовин. Оскільки через низку обставин економічного, політичного і фінансового характеру Росія не встигла розробити і упровадити власні альтернативні технології, це привело до практично повної ліквідації виробництва аерозолів і холодильного устаткування. Фактично, альянс DuPont-ICI монополізував виробництво устаткування для синтезу 1,1,1,2 - тетрафторетану, який в період підписання протоколу вважався єдиною альтернативою озоноруйнуючим хладонам. На щастя, велика частина промислових холодильних установок в Росії працює на аміаку:

 

70% — холодильних установок для  овочебаз,

60% — в м'ясній промисловості, 

50% — в кондитерському виробництві, 

80% — у виробництві пива і  напоїв.

Аміак хоча і є високотоксичною, пожежо- і вибухонебезпечною речовиною, але не приводить до руйнування озону.

 

Після оприлюднення даних про участь фреонів в руйнуванні стратосферного озону DuPont заперечила цю теорію і витратила  мільйони доларів на кампанію в пресі із захисту фреонів. Голова DuPont писав в статті в журналі Chemical Week від 16 липня 1975 року, що теорія руйнування озону це наукова фантастика, дурниця що не має сенсу. Окрім DuPont цілий ряд компаній з усього світу виробляли і виробляють різні типи фреонів без відрахування ліцензійних платежів.

 

Фреони дуже важкі, щоб досягти  стратосфери

 

Вертикальний розподіл фреону CFC-11 (CCl3F)Іноді стверджується, що оскільки молекули фреонів набагато важче  за азот (N2) і кисень (O2), то вони не можуть досягти стратосфери в значних кількостях. Проте атмосферні гази перемішуються повністю, а не розшаровуються або сортуються по вазі. Оцінки необхідного часу для дифузійного розшарування газів в атмосфері вимагають часів порядку тисяч років. Звичайно в динамічній атмосфері це неможливо. Процеси вертикального переносу повітряних мас, конвекції і турбулентності повністю перемішують атмосферу нижче турбопаузи набагато швидше. Тому навіть такі важкі гази, як інертні або фреони (CFC), рівномірно розподіляються в атмосфері, досягаючи у тому числі і стратосфери. Експериментальні вимірювання їх концентрацій в атмосфері підтверджують це, дивіться наприклад графік праворуч. Також вимірювання показують, що потрібно близько 5 років для того, щоб гази, що виділилися на поверхні Землі досягли стратосфери. Якби гази в атмосфері не перемішувалися, то такі важкі гази з її складу як аргон (Ar) і вуглекислий газ (CO2) утворювали б на поверхні Землі шар в декілька десятків метрів товщиною, що зробило б її нежилою. На щастя це не так. Криптон (Kr) з атомарною масою 84, і гелій (He) з атомарною масою 4, мають одну і ту ж відносну концентрацію, що біля поверхні, що на висоті 100 км. Звичайно, все вищенаведене вірне лише для газів, які відносно стабільні, як фреони чи інертні. Речовини, які вступають в реакції, а також піддаються різним фізичним діям, скажемо розчиняються у воді, мають залежність концентрації від висоти.

 

Основні джерела галогенів природні, а не антропогенні

 

Джерела хлор- (Cl) вмісних сполук в  стратосфері 

Виверження вулкана Пінатубо червень 1991 рокуЄ думка, що природні джерела галогенів, наприклад вулкани або океани, більш значущі для процесу руйнування озону, ніж приведені людиною. Не ставлячи під сумнів внесок природних джерел в загальний баланс галогенів, необхідно відзначити, що в основному вони не досягають стратосфери з огляду на те, що є водорозчинними (в основному хлорид-іони (Cl2+) і хлороводень (HCl)) і вимиваються з атмосфери, випадаючи у вигляді дощів на землю. Також природні з'єднання меньш стійкі ніж фреони, наприклад метилхлорид (CH3Cl) має атмосферний час життя всього порядка року, в порівнянні з десятками і сотнями років для фреонів. Тому їх внесок в руйнуванні стратосферного озону досить малий. Навіть рідкісне по своїй силі виверження вулкана Пінатубо в червні 1991 року викликало падіння рівня озону не за рахунок галогенів, що вивільняються, а за рахунок утворення великої маси сірчанокислих аерозолів (SO42+), поверхня яких каталізувала реакції руйнування озону. На щастя, вже через три роки практично вся маса вулканічних аерозолів була видалена з атмосфери. Таким чином, виверження вулканів є порівняно короткостроковими чинниками дії на озоновий шар, на відміну від фреонів, які мають часи життя в десятки і сотні років.

 

Озонова діра повинна знаходитися над джерелами фреонів

Багато  хто не розуміє, чому озонова діра утворюється в Антарктиці, коли основні  викиди фреонів відбуваються в Північній  півкулі. Річ у тому, що фреони добре  перемішані в тропосфері і стратосфері. З причини малої реакційної здатності  вони практично не витрачаються в нижніх шарах атмосфери і мають термін життя в декілька років або навіть десятиріччя. Тому вони легко досягають верхніх шарів атмосфери. Антарктична «озонова діра» існує не постійно. Вона з'являється в кінці зими - напочатку весни. Причини, за якими озонова діра утворюються в Антарктиці, пов'язані з особливостями місцевого клімату. Низькі температури антарктичної зими приводять до утворення полярного вихору. Повітря усередині цього вихору рухається в основному по замкнутих траєкторіях навколо Південного полюса. В цей час полярна область не освітлюється Сонцем, і там озон не виникає. З приходом літа кількість озону збільшується і знову виходить на колишню норму. Тобто коливання концентрації озону над Антарктикою - сезонні. Проте, якщо прослідити осереднену протягом року динаміку зміни концентрації і розміру озонової діри протягом останніх десятиріч, то є певна тенденція до падіння концентрації озону.