Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Радикал СГ вступает во взаимодействие с озоном, при этом протекают следующие реакции:
СГ + O3 ^ ClO' + O2, (6.20)
СЮ* + О* -> СГ + O2. (6.21)
Таким путем озон разрушается.
Наблюдения за содержанием озона в стратосфере показали, что плотность озонового слоя обычно понижается в зимний период и восстанавливается - в летний. Полагают, что при низких температурах в зимний период в стратосферных облаках образуются кристаллики сильно охлажденного льда, включающего в свой состав NO2. На поверхности льда ускоряется реакция, способствующая выведению радикалов ClO' из атмосферы:
NO2 + ClO' -^ClONO2. (6.22)
Отметим, что тропопауза, на уровне которой существует низкая температура (-56 0C)1 представляет собой барьер для поступления паров воды из тропосферы в стратосферу. Однако вода может образовываться непосредственно в стратосфере, например, по реакции
СН4(Г) + 202(г) + hX ~> С°2(г) + 2H2O(K). (6.23)
Далее происходит взаимодействие ClONO2 с водой и хлорсодержащими соединениями, и в конечном итоге резко возрастает содержание в атмосфере радикалов СГ, которые усиливают разложение озона.
Фреоны (от лат. frigor - холод) широко используются в качестве хладоносителей в холодильных машинах (холодильники, кондиционеры). Потери фреонов неизбежны при их производстве и эксплуатации холодильных машин. Поэтому поставлена задача найти замену фреонам как хладоносителям и прекратить их производство. На первом этапе предложено ограничиться применением наименее опасных фреонов. Так, если способность фреона-Il (CCl3F) разрушать O3 принять за единицу, то для фреона-22 (CHClF2) эта величина составит 0,03, а для фреона-123 (CHCl2CF3) - 0,013.
292
В.В. Вольхин. Общая химия
Менее стойкие фреоны сами частично разрушаются в тропосфере, что уменьшает их поступление в стратосферу. К сожалению, есть еще одно обстоятельство, отягчающее влияние фреонов на разрушение озонового слоя. Эти вещества, однажды попав в атмосферу, могут сохраняться в ней от 50 до 150 лет, что объясняется их высокой химической инертностью.
Вклад реактивных и авиационных двигателей в разрушение озонового слоя связан с образованием в продуктах сгорания топлива оксида N2O. Этот газ сохраняется в атмосфере в течение десяти лет. В стратосфере при взаимодействии с радикалами О* оксид диазота окисляется:
N2O + О'-» 2NO, (6.24)
a NO включается в цикл разложения O3.
Возможно, что в разрушении озонового слоя участвует также метан.
Пример 6.4. Разложение озона в стратосфере катализируется молекулами NO и атомами Cl. Реакция в присутствии катализатора NO имеет следующий механизм:
O3 н- NO -» NO2 + O2 NO2 + О* -> NO + O2
O3 + О* -> 2O2
Энергия активации реакции Zs<,(03, NO) =11,9 кДж/люль. Атомы Cl образуются за счет рачло-жеиия молекул фреона под действием фотонов ультрафиолетового излучения: CCl2F2 -I- hv -> CF2Cl* + Cl',
и далее они выступают в качестве катализатора реакции разложения озона:
O3 + Cl*-* СЮ* + O2.
Энергия активации реакции разложения озона ЕА(03,С\) = 2,1 кДж/моль.
Сопоставим эти две реакции разложения озона, определим отношение их констант скоростей. При этом пренебрежем различием предэкспоненциальных множителей в уравнениях Аррениуса.
Решение. Для выполнения расчета применим уравнение Аррениуса Составим отношение констант скоростей двух реакций
Полученное выражение позволяет провести вычисление:
к2 ~(2,1 кДж-мо.пь~\ - 11,9 кДж-моль~')/(0,00831 кДж-К-1-маль-\-П\К) _ 4,35 _ пп с
--е — е — / /,э.
К
Ответ: в присутствии Cl как катализатора реакция разложения O3 протекает в 77,5 раза быстрее, чем при катализе оксидом N0. Поскольку атомы Cl образуются при разложении фреонов, то результаты расчета еще раз подтверждают опасность этих веществ для стабильности озонового слоя.
Химия окружающей среды 293
6.3. Химические процессы в гидросфере
Гидросфера включает в себя воду, присутствующую на Земле в жидком, газообразном и твердом состояниях (см. раздел 6.1). Но основная ее часть находится в форме жидкой воды. Вода непрерывно переносится между разными сферами за счет постоянного действия гидрологического цикла. Вместе с водой осуществляется перенос энергии и многих веществ. Жидкая вода сосредоточена в Мировом океане, в подземных горизонтах Земли, в озерах и реках. Соотношение масс воды в них выражается примерно как соотношение следующих чисел: 0,97 : 0,7•1O-2 : 1,0•1O-4: 1,0-10~6 (см. раздел 6.1). Океаническую (и морскую) воду относят к категории соленой воды, а подземную, озерную и речную воду - к категории пресной воды. Но при этом не следует забывать об исключениях. Существуют озера с соленой водой, и подземные воды, особенно глубинные, нередко оказываются солеными. Общее количество пресной воды не достигает и одного процента от общей массы воды на Земле.
Химические реакции, которые протекают в гидросфере, неодинаковы в разных ее частях. Сказывается влияние внешних условий и природы растворенных веществ, набор и концентрации которых различны, например, в океане и в пресном озере.
Важную роль в химических превращениях в открытых водных бассейнах играют микроорганизмы. Именно с их участием осваивается энергия солнечного света, а элементы, такие как углерод, азот, фосфор, железо и ряд других, в форме химических соединений используются микроорганизмами как питательные вещества. В биохимических системах протекают реакции обычных типов (кислотно-основные, окислительно-восстановительные, комплексообразование и т.п.), но биологические процессы в таких системах приобретают ключевую роль. Термодинамика реакций при этом сохраняется (она не зависит от пути протекания реакций). Загрязнения антропогенного происхождения, попадая в гидросферу, оказывают пагубное влияние, прежде всего, на ее биологические процессы. Всё сказанное следует иметь в виду при изучении процессов в гидросфере.
