Az oxigén és az ózonlyuk


Előfordulása:

Föld 28,5 %; földkéreg 46,6 %; óceán 85,8 % (oldott állapotban 6 ppm); atmoszféra 21 %.

Az egyetlen elem, amely nagy koncentrációban van jelen a földkéregben (szilikátok), az atmoszférában (O2), a hidroszférában (H2O) és a bioszférában is (H2O, szénhidrát, fehérje stb.).

 

 

 

 

 

Kép: A fotoszintetizáló szervezeteknek - mint például a képen látható fa -, köszönhető a légkör magas oxigéntartalma.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Részlet az előadásból

(A képre kattintva a dia megnyitható és az egérgombokkal vagy a kurzormozgató nyilakkal a képek, ábrák folyamatosan behívhatók, illetve, ha szükséges, ezekkel az ábrán belül vissza is lehet lépni.

 

 

 

 

 

 

Részlet az előadásból

(A képre kattintva a dia megnyitható és az egérgombokkal vagy a kurzormozgató nyilakkal a képek, ábrák folyamatosan behívhatók, illetve, ha szükséges, ezekkel az ábrán belül vissza is lehet lépni.

 

Az élő szervezeteket felépítő elemek sorában a második leggyakoribb elem az oxigén. Vizsgáljuk meg mi lehet ennek az oka? (Úgy is föltehetnénk a kérdést, vajon a hidrogénnek, mint leggyakoribb elemnek, miért az oxigén a partnere az életre jellemző molekulákban illetve reakciókban.)

Néhány tény, ami segít a válaszadásban:

1. Ha a héliumot nem számítjuk, mert a reakcióképessége rendkívül alacsony, ezért az életre jellemző reakciókban részt nem vesz, akkor a hidrogén után az oxigén a leggyakoribb elem az Univerzumban.

2. Az oxigén 16-os számú izotópja rendkívül stabil (8 protont és 8 neutront tartalmaz, a 8-as ún. "mágikus szám" is)

3. A hidrogén és az oxigén fontosságának indoklásánál nem hagyható figyelmen kívül a víz (a hidrogén oxidja) rendkívüli jelentősége az élet szempontjából.

3.a. A víz a leggyakoribb vegyülete a csillagközi gázfelhőknek.

3.b. A hidrogén-oxid a legstabilabb hidrogénvegyület.

3.c. A víz molekuláris tulajdonságaiból adódóan sajátos szerkezettel rendelkezik folyadék és szilárd állapotban.

3.d. A víz széles hőmérsékleti tartományban folyadék halmazállapotú és ebben a halmazállapotban a vegyületek széles skáláját képes oldatban tartani, legyen az poláros, apoláris, vagy ionos.

3.e. Az élőszervezetek egyik fontos jellemzője az anyagcsere, melyben a víz alapvető fontosságú, hiszen a különböző anyagok felvétele és leadása vizes oldaton keresztül történik.

 

Az oxigén körforgása

Szorosan összefügg más elemek (C, N, S, stb.) körforgásával (57. ábra).

Az atmoszférában található molekuláris oxigén (O2) nagy része fotoszintetikus eredetű, de nem bizonyított, hogy az antropogén oxigénfogyasztást (és az ezzel összefüggő CO2- terhelést) a fotoszintézis ellensúlyozni tudja.
 
 

57.ábra. Az oxigén körforgásában előforduló jellemző vegyületek


 


Az oxigén és az oxigénvegyületek reakciói

A légköri O2 nagy része fotoszintetikus úton képződik:

                                        nCO2 + nH2O     fény ® (CH2O)n + n O2,

bár UV-fény hatására is, a H2O fotodisszociációja révén:

                                        2H2O __UV ® 2H2 + O2

Az UV-fény hatására a kétatomos oxigénmolekula háromatomos molekulává alakul, ún. fotolízis során:

                                            O2    UV-C ® ‘O’ + ‘O’
                                                O2 + ‘O’ ® O
3

(Az O3 -ra az ózonréteg fontossága miatt még visszatérünk.)

Az atmoszférikus O2 fontos szerepet játszik az élő szervezetek energiatermelő reakcióiban (respiráció):

                                            (CH2O)n + nO2 ® nCO2 + n H2O

Általánosságban elmondható, hogy a légkör O2-tartalma szerepet játszik sok fém oldhatatlan vegyületté alakításában,

                                            4Fe2+ + 3O2 + 8 e- ® 2Fe2O3

ill. bizonyos nemfémek oldhatóságának fokozásában:

                                            S2- + 2O2 ® SO42-

Szennyezők, mint pl. a CO, NO, SO2 és CH4 átalakulásában fontos szerepe van az oxigénnek. Ezen reakciókat foglalja össze a 21. táblázat.
 
 
 

Szén-dioxid CO + OH ® CO2 + H
H + O2 + M ® HO2 + M (M = egy inert anyag)
Kén-dioxid SO2 + OH ® HSO3
HSO3 + O2 ® SO3 + HO2
SO3 + H2O ®
H2SO4
Metán CH4 + OH ® CH3 + H2O
CH3 + O2 + M ® CH3O2 + M
CH3O2 + NO ® CH3O + NO2
CH3O + O2 ®
HCHO + HO2
HO2 - OH átalakulás HO2 + NO ® OH + NO2

21.táblázat. A CO, NO, SO4, CH4 reakciói az atmoszférában
.

 

Az ózon (O3)

Sztratoszférikus ózon

Bár az O3 megtalálható a troposzférában is, a teljes mennyiség 90 %-át a 15-50 km magasságban előforduló sztratoszférikus O3 teszi ki. Ez a réteg mint egy UV-B-szűrő működik, hiszen a Napból a Földre érkező ultraibolya-sugárzás jelentős részét elnyeli. Az ózonréteg sérülése ezért a Föld felszínére jutó UV-B-sugárzás növekedéséhez vezethet, amely a daganatos megbetegedések számának növekedését eredményezheti.

 

 

 

 

 

Részlet az előadásból

(A képre kattintva a dia megnyitható és az egérgombokkal vagy a kurzormozgató nyilakkal a képek, ábrák folyamatosan behívhatók, illetve, ha szükséges, ezekkel az ábrán belül vissza is lehet lépni.

 

Az elektromágneses sugárzás UV-tartományát három részre szokás osztani (22. táblázat).
 

Név Hullámhossz (λ) Energia

UV-A
UV-B
UV-C

   λ = 320-400 nm
  
λ = 290-320 nm
  
λ < 290 nm
   kis energiájú
   közepes energiájú
   nagy energiájú

22.táblázat. Az elektromágneses sugárzás három UV-tartománya


 

Az O2 és O3 egyensúlyi koncentrációját az UV-B és UV-C sugárzás befolyásolja. Az O3 koncentrációja azonban alacsonyabb a vártnál. Ennek oka az, hogy bizonyos kémiai anyagok elősegítik az ózon bomlását az alábbi általános egyenlet alapján:

            O3 + X ® O2 + OX

            OX + O ® O2 + X

            O3 + O ® 2O2

Az X leggyakrabban NO, HO és Cl lehet (58. ábra).

 

58.ábra. Az O3 lehetséges átalakulásai a sztratoszférában

Részlet az előadásból

(A képre kattintva a dia megnyitható és az egérgombokkal vagy a kurzormozgató nyilakkal a képek, ábrák folyamatosan behívhatók, illetve, ha szükséges, ezekkel az ábrán belül vissza is lehet lépni.


 

Az O3 bomlását katalizáló anyagok közül a Cl a legveszélyesebb, hiszen 1 klóratom közel 100 000 ózonmolekula felbomlását képes elősegíteni. A klórozott-fluorozott szénhidrogének (CFC) a sztratoszférába jutva UV-B sugárzás hatására bomlanak,

                                        CCl2 F2      UV-B  ® Cl + ...

ez a reakció biztosítja az atomos klórt a katalízishez:

                                        Cl + O3 ® O2 + OCl

                                        OCl + O ® O2 + Cl

A CFC vegyületek életideje az atmoszférában nagy (23. táblázat), ezért hosszú ideig elősegítik az ózon bomlását.
 

Név Képlet Tartózkodási idő(év) 1985 emisszió kt/év Relatív ózonbontó képesség (CFC 11=1) Ózon-csökkenés % (emisszió 1985)

  CFC 11
  CFC 12
  CFC 13
  Szén-tetraklorid
  Metil-kloroform
  HCFC 22
  HFC 134a
  Halon 1301
  Halon 1211

  CFCl3
  CF2Cl2
  C2F3Cl3
  CCl4
  CH3CCl3
  CHF2Cl
  C2H2F4
  CF3Br
  CF2BrCl

  77
139
  92
 76
      8,3
  22
  10
101
     12,5

281
370
138
  66
474
  72
    0
    3
    3

1,0
1,0
0,8
1,06
0,10
0,05
0
11,4
2,7

30,4
40,0
11,7
7,6
5,1
0,4
0
3,7
0,9

23. táblázat. A halogénezett szénhidrogének néhány jellemzője


Troposzférikus ózon

Az O3 koncentrációja a troposzférában lényegesen alacsonyabb mint a sztratoszférában, de már ez is veszélyes lehet, hiszen    1 ppm halálos, 120 ppb pedig légzési nehézségeket okoz.

A Föld felszínének közelében az O3 UV-A sugárzás hatására képződik:

                                                NO2      UV-A  ®  NO + `O`
                                                       `O` + O2 ® O
3

(A Los Angeles típusú füstköd tárgyalásánál a troposzférikus ózonra még visszatérünk.)

 

Ajánlott Web oldalak: