|
Озон является аллотропным видоизменением кислорода с трехатомной молекулой O2. Молекула озона не линейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями. Озон - одна из форм существования химического элемента кислорода в земной атмосфере. Последняя состоит в основном из азота и кислорода. В приземном воздухе, равно как и во всей атмосфере до высоты около 150 км, и азот, и кислород существуют практически только в форме молекул N2 и O9. Однако на всех высотах в атмосфере идут процессы диссоциации (т.е. разрушения молекул), приводящих к появлению атомов N и O. Эти процессы компенсируются быстрыми реакциями обратного соединения атомов в молекулы, поэтому концентрации атомов O и N ниже 100 км очень малы. С увеличением высоты скорость процессов диссоциации растет, а обратных реакций падает, поэтому относительная концентрация атомарных компонентов увеличивается. Но лишь примерно со 100 км атомарный кислород становится одним из основных компонентов атмосферы, а на высоте около 150 км концентрации атомов и молекул кислорода сравниваются. На большой высоте кислород существует уже главным образом в виде атомов. Количество атомарного кислорода (хотя и очень малое) с увеличением высоты над поверхностью Земли растет. Это объясняет и рост с высотой количества молекул O3. Но с некоторого уровня разрушение молекул O3 солнечным излучением растет с высотой быстрее, чем их образование из атомов O, поэтому, начиная с этого уровня (так называемого максимума слоя озона) концентрация озона с высотой начинает уменьшаться.
Процесс образования озона можно записать в следующем виде:
Экзотермическая реакция
2О3 3О2 +68 ккал (1)
Эндотермическая реакция
При образовании озона тепло поглощается, а при разложении - выделяется. При нормальной температуре и давлении реакция протекает крайне медленно. Связано это с той важной ролью, которую играет атомарный кислород в реакции образования озона. Итак, все начинается с диссоциации молекулы кислорода на два атома:
O2 + hv O + O. (2)
Через hv здесь обозначен источник диссоциации. Чаще всего это ультрафиолетовое излучение Солнца, но могут быть и энергитичные частицы, входящие в состав космических лучей.
Образовавшиеся атомы кислорода либо соединяются вновь между собой в присутствии третьей молекулы М:
O + O O2 + М, (3)
Либо взаимодействуют с молекулой O2 (также в присутствии третьего тела), образуя молекулу озона:
О2 + О +М О3 + М, (4)
Где М - любая частица, необходимая для отвода энергии от образующейся молекулы озона. Для получения озона благоприятными является невысокие температуры и наличие дополнительного неравновесного количества атомарного кислорода. Источником последнего может служить диссоциация молекул кислорода под воздействием потока частиц, ультрафиолетового облучения. Физически молекула озона является стабильной, т.е. она самопроизвольно не разлагается. При небольших концентрациях и отсутствии в газе примесей озон разлагается довольно медленно. Однако при повышении температуры, увеличении добавок некоторых газов (например, NO, Cl2, Br2, I2, и др.), при воздействии излучений и потоков частиц скорость разложения газообразного озона значительно увеличивается. Одно из основных свойств - озона сильная окислительная способность (уступает только F2). Благодаря своим исключительным свойствам атмосферный озон является регулятором потока радиации, достигающей поверхности Земли. История его появления на Земле выглядит следующим образом. Преобразование компонентов земной первичной атмосферы - метана (CH4), воды (H2O), аммиака (NH3) - в "бульон” из органических соединений, где впервые зародилась жизнь, происходило в присутствии интенсивного ультрафиолетового облучения. Однако ультрафиолетовая радиация очень опасна для чувствительного равновесия химических реакций в живых клетках, и, по-видимому, первые организмы выжили только потому, что развивались под слоем воды достаточно мощным. Чтобы защитить их от ультрафиолета. В результате фотосинтетического разложения молекул воды земная атмосфера приобрела свободный кислород. Лишь с появлением кислорода, а затем и озона интенсивность ультрафиолетовой радиации на земной поверхность понизилась достаточно для того, чтобы живые организмы смогли выйти из-под воды и начать заселение суши. Продолжительное существование сухопутной жизни стало возможным благодаря озоновому слою - защите, которая сама явилась продуктом жизни. Поскольку образование озона происходит главным образом в результате фотохимических реакций в стратосфере, здесь сосредоточена его основная масса (около 85 - 89% атмосферного озона). Фотохимическая реакция, приводящая к образованию озона и состоящая из серии событий, начиная от поглощения света молекулой кислорода и, кончая образованием стабильных молекул, разделяется на первичные и вторичные процессы. Первичный процесс включает начальный акт поглощение света молекулой, приводящий ее в возбужденное состояние с последующим ее разрушением, результирующими продуктами которого являются два атома кислорода. Как известно, и атомы и молекулы могут находиться только в некоторых дискретных энергетических состояниях, определяемых квантовомеханическими закономерностями. Так, для атома кислорода, возможно, его существование в состояниях, обозначаемых символами іP, №D, №S, где состояния атома О (іP) являются нормальным, а состояния O (№D) и O (№S) - возбужденными. Энергия связей атомов в молекуле кислорода составляет 5,115эВ. Чтобы "разбить" молекулу кислорода, необходим световой квант с энергией, равной энергии связи атомов в молекуле. При поглощении такого кванта молекула кислорода диссоциирует на два нормальных атома. Под действием света с меньшей длиной волны (соответственно с большей энергией кванта) при диссоциации молекулы O2 продуктами распада будут возбужденные атомы кислорода. Пороговые длины волн поглощаемого излучения, при которых происходит фотодиссоциация молекулярного кислорода, таковы:
O2 O (3P) + O (3P) - 2424A°, (5)
O2 O (3P) + O (1D) - 1750A°, (6)
O2 O (3P) + O (1S) - 1332A°. (7)
Таким образом, при облучении газообразного кислорода ультрафиолетовым излучением могут быть получены значительные концентрации атомарного кислорода, в результате облучения возникают возбужденные его молекулы. Все эти активные частицы вступают во вторичные реакции, аналогичные процессу (4), с образованием конечного продукта - озона.
Do'stlaringiz bilan baham: |
