Вещества, разрушающие озон

Мы уже говорили, что озон химически очень активен и взаимодействует с атомами кислорода. Кислородные атомы, однако, не единственные радикалы, которые можно обнаружить в стратосфере. Есть там и другие частицы - радикалы, которые могут вступать в реакцию с озоном, тем самым уменьшая его концентрацию.

Одним из важных радикалов в этом смысле является атом хлораС1. Небольшие количества хлорметана CH₃CI достигают стратосферы в результате природных процессов (рис. 3). Попавший в стратосферу хлорметан расщепляется под действием солнечной радиации с образованием атомов хлора.

Рис.3. Хлорметан СНзСl образуется в океане, а также на суше при горении древесины. Он ответствен за присутствие небольших количеств хлора природного происхождения в стратосфере

Другие хлорсодержащие соединения, достигающие стратосферы, причем в более высоких концентрациях, являются продуктом человеческой деятельности. Они также поглощают высокоэнергетичное солнечное излучение и распадаются, образуя атомарный хлор.

Атомы хлора реагируют с озоном следующим образом:

С1 + О₃ СlO + О₂ (реакция 6)

Образующийся при этом радикал СlO является химически активным и может взаимодействовать с атомами кислорода:

ClO + O Cl + O₂ (реакция 7)

Таким образом, в стратосфере протекают две конкурирующие реакции, в результате которых уменьшается содержание озона:

O + O₃ O₂ + O₂ (реакция 4)

и

С1 + О₃ СlO + О₂ (реакция 6)

Концентрация атомов хлора С1 много меньше, чем атомов кислорода О. Насколько велико влияние реакции 6 на состав стратосферы?

Задание 5.

1. Атомы хлора особенно эффективны в разрушении молекул озона. Один атом хлора выводит из стратосферы до 1 млн. молекул озона.

Сложите уравнения 6 и 7. Вы получите уравнение суммарной реакции, вызванной атомами хлора.

Прокомментируйте результат. Какую роль играют атомы хлора в суммарной реакции?

В ситуациях, подобных этой, очень важно знать, с какими скоростями протекают реакции.

Реакция О₃ с атомами хлора Сl не имела бы большого значения, если бы ее скорость была много меньше скорости реакции О₃ с атомами О.

Химики измерили скорости этих двух реакций в лаборатории в различных условиях и установили, что при температурах и давлениях, аналогичных естественным условиям стратосферы, реакция О₃ с Cl более чем в 1500 раз быстрее реакции О₃ с атомами О.

Даже если учесть тот факт, что концентрация атомов С1 в стратосфере существенно меньше концентрации атомов О, ясно, что реакция атомов С1 с О₃ дает очень большой вклад в потерю озона.

Более того, атомы С1 регенерируются в каталитическом цикле(реакции 6 и 7) и могут вступать в реакцию с большим числом молекул озона. Вы видите теперь, почему действие атомов хлора может быть таким разрушительным.

Задание 6.

1. В городе 50000 избирателей. Приближаются выборы, и политики и их помощники борются за голоса. У Оранжевой партии 100 агитаторов, а у Лиловой только 2. Работа агитаторов организована по-разному. Сторонник Оранжевой партии может за час убедить только 10 человек голосовать за нее, в то время как его конкурент, выступая перед большой аудиторией, способен склонить на свою сторону 15000.

а) В пользу какой партии закончатся выборы в этом городе?

б) Эта вымышленная история приведена здесь как аналогия той ситуации, в которой находится озон в атмосфере в присутствии атомов С1 и О. Каким химическим частицам соответствуют в этой аналогии

1) избиратели в городе?

2) агитаторы Оранжевой партии?

3) агитаторы Лиловой партии?

Атомы хлора – не единственные радикалы из присутствующих в стратосфере, которые могут разрушать озон в каталитических реакциях типа рассмотренных выше. Запишем реакции 6 и 7 в обобщенном виде, обозначив радикал символом X:

X + О₃ ХО + О₂

ХО + О X + О₂

Суммарная реакция: О + Оз О₂ + O₂

Ниже мы расскажем о двух других важных радикалах, которые могут разрушать озон.

Гидроксильные радикалы, образующиеся при взаимодействии атомов кислорода с молекулами воды в стратосфере, реагируют с озоном следующим образом:

НО + О₃ НО₂ + О₂

Радикалы НО₂ затем вступают в реакцию с атомами кислорода:

НО₂ + О НО + О₃

Таким образом, это еще один пример каталитического цикла, и высвобождающиеся радикалы НО снова могут реагировать с озоном.

Оксид азота NO

Оксид азота взаимодействует с озоном с образованием диоксида и молекулярного кислорода. Диоксид азота может затем реагировать с атомарным кислородом; при этом образуются моноксид азота и кислород, и таким образом реакционный цикл замыкается.

NO и NO₂ - необычные радикалы: они относительно устойчивы и их можно получить и накопить, как обычные молекулярные соединения (таким образом, их можно рассматривать и как радикалы, и как молекулы).

Задание 7.

а) Напишите уравнение реакции образования радикалов НО из атомов О и молекул воды.

б) Напишите уравнения реакций, показывающие, каким образом оксид азота может разрушать озон в каталитическом цикле.