Химические средства защиты от солнечного излучения

Некоторые атмосферные газы очень сильно поглощают ультрафиолетовое излучение. Они выполняют роль глобального солнцезащитного экрана, из-за которого большая часть жесткого солнечного излучения не достигает поверхности Земли.

Поглощение, в основном, происходит в верхних слоях атмосферы, в стратосфере. Особенно важную роль играет озон, который поглощает ультрафиолетовое излучение в диапазоне 10, 10¹⁴ Гц - 14, 0-10¹⁴ Гц. Излучение этого диапазона особенно плохо действует на кожу. (Посмотрите на рис. 1, который показывает действие на кожу излучений различной частоты). Большая часть вредного ультрафиолетового излучения поглощается озоном стратосферы.

В стратосфере нет жизни, так как мощное ультрафиолетовое излучение разрушает хрупкие молекулы живой материи. В стратосфере разрушаются даже простые молекулярные образования. При разрыве некоторых ковалентных связей образуются фрагменты молекул (атомы или группы атомов), называемые радикалами.

Еще выше, выше стратосферы, излучение настолько мощное, что способно оторвать электроны от атомов, молекул или радикалов. Образуются ионы, а отсюда название этой части атмосферы – ионосфера.

Рис. 2 Строение атмосферы

Задание 2.

Посмотрите на рис. 2, где обозначены различные слои атмосферы. Какие виды химических частиц - атомы, молекулы, радикалы или ионы - могут быть обнаружены в:

• Тропосфере,

• Стратосфере,

• ионосфере?

Атмосферный озон

Озон присутствует в атмосфере в очень небольших количествах, будучи рассеянным среди других атмосферных газов. Если можно бы было собрать весь атмосферный озон в слой вблизи земной поверхности при атмосферном давлении, то этот слой имел бы толщину всего 3 мм.

На больших высотах, в стратосфере, озон защищаетнас, поглощая жесткое ультрафиолетовое излучение; однако внизу, в тропосфере, он может принести большие неприятности.

Озон, содержащийся в приземном слое атмосферы, оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Гибель деревьев в лесах Северной Европы в какой-то мере также объясняется повышенной концентрацией озона. Это очень активный в химическом отношении газ и сильный окислитель. Он взаимодействует со многими синтетическими материалами, такими, как пластмассы, красители; вызывает, например, разрушение резины шин автомобилей.

Нет ничего удивительного в том, что озона мало в атмосфере: он реагирует с другими веществами так быстро, что не накапливается. Зная это, уместно спросить, почему озон вообще не исчезает? Очевидно, в атмосфере должны протекать реакции, продуктом которых является озон.

Образование озона в атмосфере

Озон образуется, когда атом кислорода (это пример радикала) взаимодействует с молекулой кислорода О₂:

Один из путей появления атомарного кислорода – расщепление (диссоциация)кислородной молекулы. Эта реакция требует достаточно много энергии. Энергия связи кислород – кислород в молекуле кислорода составляет +498 кДж/моль. Такая энергия может быть обеспечена за счет ультрафиолетового излучения или в электрическом разряде.

Как только атомы кислорода образуются, они реагируют с кислородными молекулами, которые всегда присутствуют в воздухе. Вы часто можете ощущать резкий запах озона вблизи включенных электромоторов или действующих светокопировальных установок. Электрические разряды в воздухе, возникающие внутри электрических машин, вызывают диссоциацию молекул кислорода. Вы также, должно быть, видели ультрафиолетовые лампы, применяемые для дезинфекции (уничтожения бактерий) в воздушной среде? Возле них вы тоже можете ощущать запах озона.

Часть озона в тропосфере образуется в результате сложной последовательности реакций в условиях фотохимического смога. Этот процесс происходит при ярком солнечном свете в крупных городах, атмосфера которых сильно загрязнена выхлопными газами автомобилей. Атомы кислорода в этом случае образуются под действием солнечного излучения на газ – загрязнитель диоксид азота.

В стратосфере атомы кислорода образуются в результате фотодиссоциациимолекулярного кислорода. Это происходит, когда молекула кислорода поглощает ультрафиолетовое излучение определенной частоты.

Задание 3.

1. Какова энергия связи кислород - кислород (в джоулях на 1 молекулу) в молекуле О₂?

2. Используя выражение Е = hv, вычислите частоту излучения, способного разорвать эту связь.

Уравнение реакции диссоциации молекулы кислорода на атомы записывается следующим образом:

О₂ + hv —> О + О (реакция 1)

В этой реакции величина hv – это энергия фотона ультрафиолетового излучения, поглощаемого молекулой кислорода..

Образующиеся при диссоциации атомы кислорода сталкиваются с другими частицами, и это может иметь различные последствия. Менее всего интересен случай, когда после столкновения частицы просто снова разлетаются. Но даже в том случае, когда атомы кислорода сталкиваются с частицами, с которыми они могут взаимодействовать, не всегда это приводит к реакции.

Более интересен случай, когда атом кислорода присоединяется к частице, с которой сталкивается. Такими частицами могут быть О₂, другой атом О или Оз. Возможные результаты такого взаимодействия показаны ниже:

О + О₂ → О₃ = -100 кДж/моль (реакция 2)

О + О → О₂ = -498 кДж/моль (реакция 3)

О + О₃ → О₂ + О₂ = -390 кДж/моль (реакция 4)

Реакция 2 - это реакция образования озона.

Когда озон поглощает излучение в диапазоне частот 10, 1∙ 10¹⁴Гц -14, 0∙ 10¹⁴ Гц, происходит фотодиссоциация О₃ + hv → О₂ + О (реакция 5)

Это как раз та реакция, которая обеспечивает защитные свойства озонового слоя, поскольку происходит поглощение жесткого солнечного излучения.

Задание 4.

Обратитесь к реакциям 1-5.

1. Какая из реакций выводит озон из атмосферы?

2. В какой реакции (или реакциях) поглощается ультрафиолетовое излучение?

3. Какая реакция (или реакции) является экзотермической?

4. Какая связь между

а) реакциями 1 и 3?

б) реакциями 2 и 5?

5. Объясните, почему под действием ультрафиолетового излучения происходит нагревание стратосферы (как результат этих реакций), и почему стратосфера имеет более высокую температуру в верхних слоях и более низкую – в нижних?

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 хлора С1. 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.