Реакции обмена атомами

Существует класс реакций в атмосфере, в ходе которых  молекулярные, атомные и ионные частицы,  обмениваются атомами:

O⁺ (г) + N₂ (г) ® N (г) + NО⁺ (г);

N₂⁺ (г) + О (г) ® N (г) + NО⁺ (г).

Эти реакции являются экзотермическими и протекают очень легко, при этом образуется молекулярный ион NО⁺ (г). Поскольку энергия ионизации NО самая низкая из всех частиц, находящихся в верхних слоях атмосферы, то NО⁺(г) не может ничем нейтрализоваться и этот ион является преобладающим в данной области НЕ ПОНЯТНО - ДОЛЖНО БЫТЬ НАОБОРОТ. Таким образом, молекулы N₂, О₂ и NО поглощая энергию фотонов отфильтровывают большую часть опасного (жесткого) ультрафиолетового излучения на высоте  уже около 100 км.

Образование озона

На  более низкой высоте (до 30 км) остается  лишь фотодиссоциация кислорода (реак­ция 1). В мезосфере и стратосфере концентрация молекулярного кислорода превышает концентрацию атомарного кислорода, поэтому образующиеся атомы часто сталкиваются с молекулами О₂, что приводит к образованию озона:

О (г) + О₂(г) «О₃+ 105 кДж/моль.

Эта реакция обратима и если частица О₃ не отдает избыточную энергию при столкновении с другой (N₂ и О₂), то молекула распадется. Чем ниже к Земле, тем больше концентрация газов N₂ и О₂, тем чаще столкновение и стабилизация озона. Но опять же, чем ниже, тем меньше диссоциация О₂ на атомы, так как отфильтровано излучение с длиной волны 242 нм. Поэтому более всего образуется озона на высоте 50-30 км, где достаточно как атомарного кислорода так и молекул азота и кислорода для обеспечения стабилизации озона. Молекулы озона сами могут поглощать излучение, и сильнее всего озоном поглощаются фотоны с длиной волны 200 - 310 нм, что очень важно для нас. Это излучение другими частицами не поглощается в той мере, как озоном. При таком излучении все живое не может существовать. «Озоно­вый щит» играет важную роль в сохранении жизни на Земле.

Обобщенный процесс циклического образования и разложения озона:

О₂ (г) + hn® О (г) + О (г) (распад молекулярного кислорода)

О₂ (г) +О (г) + М (г) ® О₃ (г) + М^* (г) + тепло (образование и стабилизация озона)

О₃ (г) + hn® О₂ (г) + О (г); (распад озона в разряженной атмосфере)

О (г) + О (г) + М (г) ® О₂ (г) + М^* (г) + тепло (синтез молекулы кислорода)

М^* - любая частица в столкновении.

Результатом данного процесса является превращение ультрафиолетового излучения Солнца в тепловую энергию. Озоновый цикл обеспечивает повышение температуры в стратосфере  В этот цикл вовлекаются многие частицы, а общим результатом является разложение озона, особенно интенсивное при участии оксидов азота.

О₃(г) + NO(г) ® NО₂(г) + О₂(г)

NО₂(г) + O(г) ® NО(г) + О₂(г)

О₃(г) + О(г) ® 2 О₂(г)

Концентрация озона максимальна на высоте 25 – 30 км. С увеличением высоты концентрация озона убывает из-за концентрации активныхчастиц. Разрушение озона вызывает азотный цикл,  как следствие также и антропогенного загрязнения атмосферы оксидами азота, где NO является катализатором процесса. Когда в этот цикл вторгаются дополнительные порции оксида азота, значительно уменьшается концентрация озона. Так, при полете сверхзвуковых самолетов в двигателях достигается такая высокая температура, что становится возможной реакция: N₂ (г) +O₂ (г) ® 2 NО (г), в результате которой оксид азота выбрасывается в стратосферу, существенно снижая концентрацию озона.

Разрушение озона обусловлено также влиянием органических соединений,  содержащих фтор и хлор, таких как фторхлорметанов, составляющих основу группы газов фреонов: при столкновении с фотонами высвобождается хлор, который окисляется озоном с распадом последнего

CF_xCl_4-–x (г)+ hn® CF_xCl_3–x (г)+ Cl(г),

 Cl(г) + О₃ (г)® ClО(г) + О₂ (г) (разрушение озона)

За этим следует разложение CF_xCl_3–x и т.д. Расчеты показывают, что скорость образования атомарного хлора максимальна  именно на высоте 30 км т. е в озоновом слое.

Оксид хлора, реагируя с атомарным кислородом, вновь дает атомарный хлор: ClО (г) + О (г) ® Cl (г)+ О₂(г); снова Cl(г) + О₃ (г)® ClО(г) + О₂ (г)... обрыв цепи может происходить при взаимодействии хлора с молекулами водорода, метана, воды, пероксида водорода. В итоге имеем суммарную реакцию: О (г) + О₃ (г) ® 2 О₂(г).

 Фреоны, ранее широко используемые в холодильниках, очень хорошо сохраняются в атмосфере, плохо растворимы в воде, не горят, имеют низкие температуры кипения, поэтому хорошо испаряются на воздухе. Из тропосферы часть фреонов может уходить с водой и, не гидролизуясь, скапливаться в океане, который становится своеобразным резервуаром фреонов.