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 фотодиссоциации молекулярного 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?