Dvadeset prvo predavanje 1
Biološka klasifikacija UV radijacije Izražavanje koncentracije ozona Emisija Sunčeve radijacije i ozon kao apsorber zračenja Nastajanje ozona u stratosferi Destrukcija ozona u stratosferi Katalitička destrukcija ozona
Ozonski omotač Zemlje predstavlja sloj stratosfere između 15 i 50 km visine. 3
Ozon je efikasan filter koji apsorbuje UV radijaciju od 200 do 315 nm. Sunce emituje elektromagnetne talase (radijaciju) talasnih dužina od preko 1000 nm do onih manjih od 250 nm. Maksimalni intenzitet radijacije je na 550 nm (u žutoj oblasti vidljivog spektra). Fotoni veće talasne dužine obezbeđuju toplotu, svetlost i utiču na globalnu klimu. Fotoni kraćih talasnih dužina (UV oblast), iako malo doprinose ukupnom fluksu, veoma su važni jer su štetni, čak smrtonosni za žive organizme. 4
Sunčevu radijaciju čini zračenje celog vidljivog dela spektra, kao i UV i IC područja. 5
UV-A 400-315 nm relativno neškodljivo zračenje UV-B 315-280 nm letalno zračenje za mnoge oblike života UV-C < 280 nm smrtonosno zračenje za čoveka i žive organizme, ali se ono manje više u potpunosti apsorbuje atmosferskim ozonom. 6
7
O2 i N2 iznad stratosfere apsorbuju UV od 120 do 220 nm. Do Zemlje ne dopire UV zračenje kraćih λ od 220 nm.
Dobsonove jedinice (DU) dobile ime po G. M. B. Dobsonu, naučniku koji je sproveo prva merenja u stratosferi 1920-tih godina. 1 DU je debljina stuba ozona (u 0.01 mm) na standardnoj t i po. 100 DU su ekvivalentni 1 mm debelom sloju čistog ozona na STP. 9
Ozon se u atmosferi nalazi u mnogo manjoj količini od kiseonika. Tako, na svakih 10 miliona molekula vazduha, 2 miliona molekula su molekuli kiseonika, a svega 3 molekula su molekuli ozona. Prosečna vrednost je oko 300 DU (250 u tropima do 450 u severnijim i južnijim regionima planete). Ukoliko bi se sav atmosferski ozon spustio na zemljinu površinu, pri STP, nastao bi sloj debljine oko 3 mm. Izraz ozonska rupa se koristi da se opiše smanjivanje ozonskog omotača. Znači, ozon je još uvek prisutan, ali ga samo ima manje. Npr., merenja na Antarktiku pokazuju da je u ozonskoj rupi koncentracija ozona 150 DU. 10
Ozon je stabilan molekul koga čine tri atoma kiseonika. Iako stabilan, jako je reaktivan. Dobio je naziv po grčkoj reči ozein što znači mirišljavi. Ima jak, oštar miris. Na zemljinoj površini ozon se stvara pri električnom pražnjenju za vreme oluje i pri oksid. nekih org. materija. Tako, neznatne količine ozona obično postoje u vazduhu borovih šuma (oksidiše se smola drveta), na morskoj obali (oksidišu alge izbačene na zemlju). 11
Fotohemijske reakcije Molekul kiseonika je fotohemijski disosovan ili fotohemijski razložen ili podlego je fotolizi Ekscitovano stanje Osnovno stanje reakcija M + foton M + foton M+toplota O2 + UV foton (λ > 240 nm) O2* O2 + toplota O2 + UV foton (λ < 240 nm) O2* 2O ili O2 + toplota
Iznad stratosfere Kiseonik egzistira u monoatomskom obliku, jer je pritisak nizak, a UV-C zračenje je intenzivno. O2 + UV-C 2 O O + O O2 U stratosferi Kiseonik egzistira u dvoatomskom obliku jer pritisak raste (monoatomske čestice nisu stabilne) i UV-C zračenje je manje. O + O2 O3 + toplota (reakcija O + O O2 se ne odvija)
O + O2 + M O3 + M + toplota Temperaturna inverzija Stratifikovani region atmosfere stratosfera.
Zadatak 1: Za reakciju razlaganja ozona na dvoatomski i monoatomski kiseonik, ΔH0 iznosi + 105 kj mol-1. Koja je najveća talasna dužina svetlosti koja može da izazove disocijaciju ozona? Koja je to oblast Sunčevog zračenja? O3 + UV foton (λ < 320 nm) O2* + O* O3 + O 2 O2 O2 UV-C O O2 UV-B +O O3
Zadatak 2: Izračunati najveću talasnu dužinu svetlosti koja razlaže ozona na O* i O2*, na osnovu sledećih termohemijskih podataka: O O* ΔH0 = + 190 kj mol-1 O2 O2* ΔH0 = + 95 kj mol-1
18
Čepmanova teorija O2+ hv (< 242nm) O+O2+M O3+M O3 + hv (230-320nm) O + O3 2O2 O+O nastajanje O +O2 destrukcija M je bilo koji molekul vazduha (O2 or N2) Čepmanova teorija opisuje kako Sunčeva svetlost konvertuje različite oblike kiseonika jedne u druge, objašnjava zašto je najveća koncentracija ozona u sloju između 15 i 50 km. 19
Koristeći Čepmanovu teoriju 20
Mora da postoje i drugi putevi destrukcije ozona koji doprinose smanjenju njegove količine u stratosferi. Katalitička destrukcija ozona Ukupna reakcija X + O3 = XO + O2 XO + O = X + O2 O + O3 = 2 O2 X se regeneriše u procesu (ne troši se) deluje kao katalizator. Lančana reakcija se nastavlja sve dok se X ne utroši nekom sporednom reakcijom. 21
Hidroksilni radikali.oh + O = HO. + O 3 2 2.. HO + O = OH + O 2 2 Ukupna reakcija: O + O3 = 2 O2 Atomi hlora ili broma Azot oksid (NO) Cl. + O3 = ClO. + O2 ClO. + O = Cl. + O2 Ukupna reakcija: O + O3 = 2 O2 NO + O3 = NO2 + O2 NO2 + O = NO + O2 Ukupna reakcija: O + O3 = 2 O2 23
24
Izazivaju destrukciju skoro polovine količine ozona, u donjim delovima stratosfere (16-20 km). Izvori: O3 + hv (<325nm) = O* + O2 O* + H2O = 2. OH O* + CH4 =.OH +. CH3 Terminaciona reakcija. OH + NO HNO 2 3 25
NO nastaje u velikoj količini u troposferi, ali se sav konvertuje u NO2, a zatim u HNO3 (uklanja se precipitacijom). NO u stratosferi nastaje iz azot(i)-oksida: N2O + hv N2 + O (90%) N2O + O 2 NO (~10%) Proces uklanjanja: NO2 +.OH HNO3 ClO. + NO2 ClONO2 26
Problem 1-6
Problem 1-7 Problem 1-8
1. NOx vrši katalitičku destrukciju ozona. 2. NOx inhibira HOx i ClOx cikluse destrukcije ozona uklanjanjem ovih radikala. Relativni odnos ova dva efekta NOx je zavistan od nadmorske visine. >25 km, ukupni efekat je takav da dolazi do destrukcije ozona. (NOx je odgovoran za >50% ukupne destrukcije ozona u srednjim i gornjim slojevima troposfere.) U nižim slojevima stratosfere, ukupni efekat je smanjenje destrukcije ozona, tj. njegova zaštita. 30
Fotolizom hlornih jedinjenja u atmosferi oslobađa se reaktivni hlor: CFCl3 + hv (185-210nm) CFCl2. + Cl. Daljim reakcijama nastalog CFCl2. još Cl atoma Izvori hlornih jedinjenja : Antropogeni: npr. CFCs Prirodni: npr. metil hlorid koji se biogeno stvara iz okeana, prilikom sagorevanja vegetacije i usled vulkanske emisije. 32
Hlorofluorokarboni je zbirno ime za seriju jedinjenja koja sadrže atome hlora, fluora i ugljenika. Primer: CFCl3, CF2Cl2. Njihova proizvodnja je počela 1930-tih godina. Veoma korisni, veliki broj primena. Netoksični. Koriste se kao sredstva za hlađenje, sredstva za čićenje, raspršivači. Poznati i pod nazivom: - HCFC: hidrohlorofluorokarboni - HFC: hidrofluorokarboni - Haloni: sadrže brom 33
Broj C atoma - 1 CFC x y z Broj F atoma Trocifreni broj je CHF Broj H atoma + 1 Primer CCl2F2 - CFC-12 CCl3F - CFC-11 CHClF2 - CFC-22 C2Cl2F4 - CFC-114 34