臭氧層的形成和化學(xué)破壞

摘 要：臭氧層的破壞，是人類面臨的三大環(huán)境問題之一.臭氧層擔(dān)當(dāng)著防止高能紫外線輻射直接照到地球表層大氣的作用，因而臭氧層的存在是與人類健康及生態(tài)平衡關(guān)系密切的問題.隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，平流層大氣受到污染，臭氧層遭到破壞.自從二十世紀(jì)70年代Crutzen發(fā)現(xiàn)臭氧層遭到破壞以來，世界各國對此問題非常重視，做了大量研究，已基本弄清臭氧層的形成、作用及被破壞機(jī)理等問題，并制定了保護(hù)臭氧層的一系列國際公約，使臭氧層被破壞的速度得以減緩.

關(guān)鍵詞：形成；機(jī)理；保護(hù)

作者簡介： 王國棟（1985-），男，本科，中學(xué)二級教師，陜西戶縣人，研究方向：高中化學(xué)教學(xué)研究.

一、臭氧層的形成

在平流層中，氧氣吸收波長為180nm-240nmUV（紫外線）光而使氧氣分子分解：

O2+hν →O+O

自由的O原子和其它的O2分子形成臭氧，該反應(yīng)被認(rèn)為是平流層中臭氧的唯一來源：

O2+O+M → O3+M

但臭氧也會發(fā)生光解而遭到破壞：

O3+O → O2+O2

可見，平流層中同時存在著臭氧的產(chǎn)生和臭氧的分解兩種光化學(xué)過程，這兩種過程在光的作用下會達(dá)到動態(tài)平衡.最終，在離地面25km-30km的高空，就形成一濃度相對較大和穩(wěn)定的臭氧層，阻擋了對人類有害的高能紫外線.

二、臭氧層化學(xué)破壞的機(jī)理

目前，人類認(rèn)為直接破壞臭氧層的物質(zhì)有：氮氧化物、氫氧自由基和鹵代烷烴等.

1.氮氧化物對臭氧層的破壞作用

存在于大氣中的氮氧化物有：N2O、NO、NO2.

N2O是自然界微生物活動的產(chǎn)物，大氣中含量很少，活性較小，在低層大氣中被認(rèn)為是非污染性氣體，當(dāng)其擴(kuò)散至平流層后，可被轉(zhuǎn)化為一氧化氮：

N2O+O → NO+NO

N2O+hν→ NO+N

平流層中破壞臭氧的污染物為NO：

O3+NO → NO2+O2

NO2也能與平流層中較豐富的氧原子反應(yīng)：

NO2+O → NO+O2

該反應(yīng)速率較快，生成的一氧化氮再次破壞臭氧，可以認(rèn)為是在一氧化氮催化下加速了臭氧與氧原子的反應(yīng)：

O3+ONOO2+O2

據(jù)研究，一個N2O分子產(chǎn)生的NO引發(fā)上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可破壞105個臭氧分子.

一氧化氮來源有兩種方式，自然來源由一氧化二氮產(chǎn)生，人工源主要來自于平流層下部飛行的超音速飛機(jī)排放的廢氣.其排放的廢氣中所含的氮氧化物及水氣均可破壞臭氧.

2.氫氧自由基對臭氧層的破壞

平流層中HO·自由基的來源主要來自噴氣機(jī)排放的廢氣中的水氣，其與臭氧的反應(yīng)：

HO·+O3 → O2+HO2·

HO2·+O → O2+HO·

HO·自由基反復(fù)產(chǎn)生，其實質(zhì)是在HO·自由基催化作用下臭氧與氧原子反應(yīng)生成氧分子：

O3+OHO·O2+O2

3.鹵代烷烴對臭氧層的破壞

（1）氟利昂

氟利昂是含氟氯飽和烴類的總稱.Rowland和Molina于1974年提出了CFCs理論，闡明了氟利昂影響臭氧層厚度的機(jī)理.以CCl2F2為例：

CCl2F2+hν→ CF2Cl·+Cl

光解產(chǎn)生的Cl原子與臭氧發(fā)生作用，使臭氧遭到破壞：

O3+Cl → ClO·+O2

ClO·+O → Cl+O2

ClO·+O3 → ClO2·+O2

ClO2·+hν → Cl+O2

… …

其實質(zhì)是在Cl原子催化下，臭氧與氧原子反應(yīng)，生成氧分子：

O3+O Cl O2+O2

科學(xué)家證實，隨著大氣層高度的增加，氯原子對臭氧的破壞作用增強(qiáng)，當(dāng)處于平流層時，一個氯原子可以分解掉105個O3分子.因此，氟利昂對平流層中的臭氧有巨大的破壞作用.

（2）哈隆

哈隆是一類含溴鹵代甲、乙烷的商品名，主要用做滅火器.哈隆破壞臭氧層的機(jī)理與氟利昂類似，實質(zhì)是在溴原子催化作用下，臭氧與氧原子反應(yīng)：

O3+O Br O2+O2

研究結(jié)果表明，在平流層中，哈隆比氟利昂破壞更大.

（3）其它鹵代烷烴

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的氯仿（CHCl3）、甲基氯仿（CH3CCl3）等其它氯代烷烴也同樣分解破壞臭氧.

綜上所述，氮氧化物、HO·自由基、氟氯代烴等破壞臭氧層的機(jī)理是：這些物質(zhì)分別產(chǎn)生的NO、HO·自由基、氯或溴原子等作為催化劑，加速了臭氧與氧原子的反應(yīng).

幾種破壞臭氧層的物質(zhì)中，主要危害物為氮氧化物，約占破壞總量的65%，其次為HO·自由基，約為20%，鹵代烷烴類約占10%，自然破壞僅占5%左右.

三、臭氧層的保護(hù)

1987年，聯(lián)合國26個會員國在加拿大蒙特利爾簽署了環(huán)境保護(hù)公約《蒙特利爾破壞臭氧層物質(zhì)管制議定書》，又稱《蒙特利爾議定書》.該議定書禁止或淘汰使用耗蝕臭氧層的化學(xué)品，其中包括曾廣泛用于冰箱和噴霧器中的氟氯碳化物，自1989年1月1日起生效，開始了全球保護(hù)臭氧層的行動.

1995年聯(lián)合國大會決定，每年的9月16日為國際保護(hù)臭氧層日.

聯(lián)合國組織300名科學(xué)家對大氣臭氧水平進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，每4年為一個評估期.

隨著世界各國的努力，臭氧層在2000年—2013年間變厚了4%，南極洲上空的臭氧空洞也停止擴(kuò)大.臭氧層雖然有所恢復(fù)，但離痊愈還很遙遠(yuǎn)，人類的保護(hù)行動依然任重道遠(yuǎn).

參考文獻(xiàn)：

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