2015-04-12
960
Озоновый слой в атмосфере Земли представляет собой естественный ультрафиолетовый фильтр, который поглощает опасное ультрафиолетовое излучение Солнца до того, как оно достигнет поверхности Земли. Уменьшение содержания озона в атмосфере может привести к опасным последствиям для жизни на Земле. Озон содержится в основном в стратосфере на высоте от 15 до 50 км с максимальной концентрацией на высоте около 25 км.
В 1930 г английский учёный С. Чепмен предложил механизм образования атмосферного озона, состоящий из четырёх реакций (так называемый цикл Чепмена):
1. O2 + h n 
2O k 1 = 3,0 · 10–12 с–1
2. O + O2 + M 
O3 + M k 2 = 1,2 · 10–33 см6×молекул–2×с–1
3. O3 + h n 
O + O2 k 3 = 5,5 · 10–4 с–1
4. O3 + O 
2O2 k 4 = 6,9 · 10–16 см3×молекул–1×с–1
Поглощением ультрафиолетового излучения в реакции 3 объясняются защитные свойства озонового слоя. Молекула M может быть любой молекулой, находящейся в атмосфере (чаще всего N2).
В результате протекания этих реакций устанавливается стационарное состояние, и концентрация озона в атмосфере поддерживается приблизительно постоянной. Содержание озона в стратосфере изменяется в зависимости от географической широты и времени года, но в среднем не превышает нескольких частей на миллион (ppm). Хотя такая концентрация кажется малой, она достаточна для того, чтобы задерживать 95–98 % ультрафиолетового излучения Солнца.
|
|
|
Справочные данные:
Энергия света равна 
(
).
Концентрация [M] на высоте 25 км составляет приблизительно 1018 молекул×см–3.
Значения констант скорости на этой высоте приведены рядом с реакциями.
Экспериментально установленное значение [O3] / [O2] составляет около 10 ppm.
Вопросы:
1. Рассчитайте максимальную длину волнысолнечного света, способного вызывать диссоциацию молекул кислорода по реакции 1, если энергия связи в молекуле кислорода равна 498 кДж/моль.
2. Используя приведённый выше механизм, объясните (качественно), почему концентрация озона изменяется по высоте немонотонно и проходит через максимум.
3. Объясните,для чего в реакции 2 необходимо присутствие молекулы М.
4. Известно, что температура в стратосфере выше, чем в тропосфере. Температура в стратосфере увеличивается от приблизительно –60 °С на нижней границе до приблизительно 0 °С на верхней границе. Объясните, почему цикл Чепмена приводит к повышению температуры стратосферы. Какие реакции играют в этом главную роль? Почему?
5. Используя кинетический закон действующих масс, запишите выражения для скорости каждой реакции в цикле Чепмена. Считая концентрации O и O3 стационарными (то есть полагая, что для каждого из них скорость образования равна скорости распада), выведите выражение для отношения [O3] / [O2].
|
|
|
6. Используя выведенное выражение, рассчитайте отношение [O3] / [O2] на высоте 25 км над поверхностью Земли. Сравните рассчитанное значение [O3] / [O2] с экспериментально установленной величиной. Объясните, почему они различаются.
