اوزون با فرمول O₃ از همان عنصر سازنده اکسیژن تنفسی ساخته شده است، اما آرایش سهاتمی آن رفتار متفاوتی پدید میآورد. بخش بزرگی از اوزون جو در استراتوسفر قرار دارد و با جذب بخشی از پرتوهای فرابنفش خورشید، از جانداران محافظت میکند. بااینحال همین ماده در هوای نزدیک سطح زمین یک آلاینده و اکسنده زیانآور است. برای فهم لایه اوزون باید محل حضور آن، چرخه پیوسته تشکیل و تجزیه و نقش ترکیبهایی مانند کلروفلوئوروکربنها را از هم جدا کنیم. در این مقاله این فرایندها را با معادلههای ساده، مدل کاتالیزگری و یک تمرین مرحلهبهمرحله بررسی میکنیم.
اوزون و اکسیژن دو دگرشکل از یک عنصرند
مولکول اکسیژن معمولی O₂ و مولکول اوزون O₃ هر دو فقط از اتمهای عنصر اکسیژن ساخته شدهاند، اما تعداد اتمها و ساختارشان یکسان نیست. به همین دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی دارند. این دو ماده دگرشکلهای اکسیژناند؛ تفاوت آنها را نباید به وجود عنصر تازهای نسبت داد.
O₃ نسبت به O₂ اکسنده قویتری است و واکنشپذیری بیشتری دارد. همین ویژگی به ضدعفونی و حذف برخی آلایندهها کمک میکند، اما تماس با غلظت بالای اوزون میتواند به بافت زنده آسیب بزند. بنابراین مفید یا زیانآور بودن اوزون فقط به فرمول آن وابسته نیست؛ محل حضور و مقدار آن نیز تعیینکننده است.
- O₂ و O₃ هر دو ماده عنصری و دگرشکلهای اکسیژناند
- تفاوت تعداد و آرایش اتمها سبب تفاوت خواص میشود
- اوزون اکسندهای واکنشپذیرتر از اکسیژن مولکولی است
- اثر یک ماده را باید همراه با غلظت و محل حضور آن سنجید
بیشتر اوزون محافظ در استراتوسفر قرار دارد
جو زمین لایههای گوناگونی دارد. تروپوسفر پایینترین لایه و محل زندگی ما و رخداد بیشتر پدیدههای آبوهوایی است. بالاتر از آن، استراتوسفر قرار دارد و بیشترین غلظت اوزون جوی در بخشی از این لایه دیده میشود. عبارت «لایه اوزون» به پوستهای از اوزون خالص اشاره نمیکند؛ اوزون در میان گازهای دیگر جو با غلظتی اندک پراکنده است.
اوزون استراتوسفری بخشی از پرتو فرابنفش خورشید، بهویژه UV-B و تقریباً همه UV-C ورودی، را جذب میکند. UV-A بیشتر از جو عبور میکند. جذب فرابنفش انرژی آن را به فرایندهای مولکولی و در نهایت گرما تبدیل میکند و مقدار پرتو پرانرژی رسیده به سطح زمین را کاهش میدهد.
- تروپوسفر نزدیک سطح زمین و استراتوسفر بالاتر از آن است
- لایه اوزون، ناحیهای غنیتر از اوزون است نه لایهای از گاز خالص
- اوزون همه طولموجهای فرابنفش را به یک اندازه جذب نمیکند
- جذب UV در استراتوسفر نقش حفاظتی دارد
نور فرابنفش هم اوزون میسازد و هم آن را تجزیه میکند
پرتو فرابنفش پرانرژی میتواند پیوند O=O را بشکند: O₂ + UV → 2O. اتم اکسیژن حاصل بسیار واکنشپذیر است و با مولکول O₂ برخورد میکند تا O₃ بسازد. در نمایش دقیقتر، جسم سومی مانند N₂ یا O₂ انرژی اضافی برخورد را میگیرد؛ اما در مدل ساده درسی مینویسیم O + O₂ → O₃.
اوزون نیز نور فرابنفش را جذب و تجزیه میشود: O₃ + UV → O₂ + O. اتم اکسیژن میتواند دوباره اوزون بسازد یا با اوزون واکنش دهد و اکسیژن مولکولی تولید کند: O + O₃ → 2O₂. پس مقدار اوزون نتیجه تعادل پویای تشکیل و تخریب است؛ مولکولهای اوزون دائماً عوض میشوند، هرچند مقدار کلی آنها در شرایط پایدار میتواند تقریباً ثابت بماند.
- شکستن O₂ اتم اکسیژن واکنشپذیر تولید میکند
- برخورد O با O₂ به تشکیل O₃ میانجامد
- جذب UV میتواند O₃ را دوباره به O₂ و O تبدیل کند
- ثابتماندن تقریبی غلظت به معنی توقف واکنشها نیست
CFCها کلر فعال را در استراتوسفر آزاد میکنند
کلروفلوئوروکربنها یا CFCها ترکیبهایی از کربن، کلر و فلوئورند که به علت پایداری زیاد، در تروپوسفر بهآسانی تجزیه نمیشوند. همین پایداری فرصت میدهد بخشی از آنها با گذشت زمان به استراتوسفر برسند. در آنجا پرتو فرابنفش پرانرژی میتواند پیوند کربن–کلر را بشکند و رادیکال کلر، Cl•، آزاد کند.
رادیکال ذرهای با الکترون جفتنشده و معمولاً بسیار واکنشپذیر است. نکته اصلی این نیست که خود مولکول CFC مستقیماً با همه اوزونها واکنش میدهد؛ نور ابتدا آن را میشکند و گونه کلردار فعال میسازد. بنابراین اثر CFC ممکن است با فاصله زمانی و مکانی از محل آزادشدن آن ظاهر شود.
- پایداری CFCها در لایه پایین جو به عمر جوی زیاد آنها کمک میکند
- نور پرانرژی در استراتوسفر رادیکال کلر آزاد میکند
- نقطه نشاندادهشده در Cl• بیانگر الکترون جفتنشده است
- گونه فعال کلردار عامل مستقیم چرخه تخریب اوزون است
کلر با یک چرخه کاتالیستی اوزون را به اکسیژن تبدیل میکند
چرخه ساده را میتوان در دو مرحله نوشت: Cl• + O₃ → ClO• + O₂ و سپس ClO• + O → Cl• + O₂. با جمع دو مرحله، Cl• و ClO• که در دو سوی معادله ظاهر شدهاند حذف میشوند و واکنش خالص O₃ + O → 2O₂ به دست میآید. رادیکال کلر در پایان بازتولید شده است.
چون Cl• در واکنش خالص مصرف نمیشود، نقش کاتالیزگر دارد و میتواند بارها وارد چرخه شود. این به معنای عمر نامحدود یک اتم کلر نیست؛ واکنشهای جانبی میتوانند آن را موقت یا دائمی در گونههای کمفعالتر نگه دارند. بااینحال بازتولید کاتالیزگر توضیح میدهد چرا مقدار اندکی کلر فعال میتواند بر تعداد زیادی مولکول اوزون اثر بگذارد.
- کاتالیزگر مسیر واکنش را فراهم میکند و در پایان چرخه بازتولید میشود
- واسطه ClO• در یک مرحله ساخته و در مرحله بعد مصرف میشود
- واکنش خالص چرخه: O₃ + O → 2O₂
- در جمع مراحل، گونههای حذفشده را با واکنشدهنده یا فرآورده خالص اشتباه نگیر
اوزون استراتوسفری مفید و اوزون تروپوسفری آلاینده است
اوزون نزدیک سطح زمین معمولاً مستقیماً از یک منبع خارج نمیشود؛ در حضور نور خورشید، واکنشهای میان اکسیدهای نیتروژن و ترکیبهای آلی فرار میتوانند آن را بهعنوان آلاینده ثانویه بسازند. این اوزون بخشی از مهدود نورشیمیایی است و میتواند دستگاه تنفسی، برگ گیاهان و بعضی مواد را آسیب بزند.
پس عبارت کوتاه «اوزون خوب یا بد است» پاسخ علمی کاملی نیست. اوزون استراتوسفری با جذب UV نقش حفاظتی دارد، اما افزایش اوزون تروپوسفری برای کیفیت هوا نامطلوب است. کاهش اوزون استراتوسفری و افزایش اوزون سطحی نیز دو مسئله متفاوتاند و راهحل یکسانی ندارند.
- اوزون استراتوسفری سپر جذب فرابنفش است
- اوزون سطحی یک آلاینده ثانویه به شمار میرود
- اوزون سطحی را نباید با سوراخ لایه اوزون یک پدیده دانست
- برای داوری درباره اثر اوزون، ارتفاع و غلظت را مشخص کن
مثال حلشده: معادله خالص چرخه کلر را پیدا کن
دو مرحله Cl• + O₃ → ClO• + O₂ و ClO• + O → Cl• + O₂ داده شدهاند. ابتدا دو سوی معادلهها را جمع میکنیم. Cl• یک بار در سمت واکنشدهنده مرحله اول و یک بار در سمت فرآورده مرحله دوم است؛ پس حذف میشود. ClO• نیز در مرحله اول ساخته و در مرحله دوم مصرف میشود و حذف خواهد شد.
آنچه باقی میماند O₃ + O → 2O₂ است. Cl• کاتالیزگر است، زیرا در آغاز مصرف و در پایان بازتولید میشود؛ ClO• واسطه واکنش است، زیرا درون سازوکار ساخته و سپس مصرف میشود. شمار اتمهای اکسیژن نیز کنترل پاسخ را تأیید میکند: چهار اتم اکسیژن در هر دو سوی معادله خالص وجود دارد.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: در یک مدل ساده، یک رادیکال Cl• پنج بار چرخه کامل بالا را طی میکند. چند مولکول O₃ در این پنج چرخه مصرف میشود و چند مولکول Cl• بهطور خالص مصرف میشود؟ در هر دور چرخه یک O₃ مصرف میشود؛ بنابراین پنج مولکول O₃ از بین میرود. چون Cl• در پایان هر دور بازتولید میشود، مصرف خالص آن در این مدل صفر است.
برای حل سؤالهای این مبحث ابتدا ارتفاع رخداد را مشخص کن، سپس میان O₂، O و O₃ تفاوت بگذار و مرحلههای سازوکار را جمع کن. گونهای که مصرف و بازتولید میشود کاتالیزگر و گونهای که ساخته و سپس مصرف میشود واسطه است. در پایان، پایستگی تعداد اتمها و حذف درست گونههای مشترک را کنترل کن.
- O₂ و O₃ دگرشکلاند، اما O یک اتم منفرد و واکنشپذیر است
- چرخه طبیعی تشکیل و تجزیه اوزون پویاست
- CFC در استراتوسفر منبع رادیکال کلر میشود
- Cl• کاتالیزگر و ClO• واسطه چرخه ساده است
- اوزون استراتوسفری و تروپوسفری اثرهای متفاوت دارند
- جمع مرحلهها و کنترل شمار اتمها بهترین راه یافتن واکنش خالص است
برای تحلیل شیمی لایه اوزون، سه پرسش را بهترتیب پاسخ بده: اوزون در کدام لایه جو قرار دارد، با چه چرخهای تشکیل یا تجزیه میشود و آیا گونهای کاتالیزگر در واکنش حضور دارد؟ در استراتوسفر، O₂ با جذب UV اتم O میسازد، O با O₂ به O₃ تبدیل میشود و اوزون نیز با جذب UV تجزیه میشود. CFCها میتوانند رادیکال Cl• آزاد کنند؛ این رادیکال در چرخه تخریب بازتولید میشود و واکنش خالص O₃ + O → 2O₂ را سرعت میدهد. اوزون استراتوسفری محافظ است، ولی اوزون نزدیک سطح زمین آلاینده است. در مسئلهها، مرحلهها را جمع کن، کاتالیزگر و واسطه را حذف کن و موازنه اتمها را بسنج.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.