Preguntas de debate
- ¿Qué es la radiación UV?
- ¿Cómo se produce el ozono en la atmósfera?
- ¿Cuánto ozono hay en la atmósfera y dónde está la capa de ozono?
- ¿Cuál es la interacción del ozono y los rayos UV?
- ¿Qué es el agotamiento del ozono?
- ¿Qué es el agujero de ozono y cómo varía con el tiempo?
- ¿Qué son los CFC?
- ¿Cómo ayudan los CFC a agotar el ozono?
- ¿En qué se diferencia el agotamiento del ozono en la región polar de otras regiones?
- ¿Qué se ha hecho y qué se puede hacer para reducir el agotamiento del ozono?
La mayor parte del ozono en la atmósfera se encuentra en la estratosfera de la atmósfera, con alrededor del 8% en la troposfera inferior. Como se mencionó allí, el ozono se forma debido a la foto reacción. El nivel de ozono se mide en la Unidad Dobson (DU), que lleva el nombre de G.M.B. Dobson, quien investigó el ozono entre 1920 y 1960. Una Unidad Dobson (DU) se define con un espesor de ozono de 0.01 mm en STP cuando todo el ozono en la columna de aire sobre un área se recoge y se extiende por toda el área. Por lo tanto, 100 DU tiene 1 mm de espesor.
¿Qué es la radiación UV?
En el espectro de radiación electromagnética, la región más allá de la violeta (longitud de onda ~ 400 nanómetros nm) invisible para la detección ocular se llama rayos ultravioleta (UV). Su longitud de onda es más corta que 400 nm.
UV se divide en tres regiones:
- UV A, longitud de onda = 400 – 320 nm
- UV B, longitud de onda = 320 – 280 nm
- UV C, longitud de onda = <280 nm
Obviamente, los fotones de UV C son los más enérgicos. Los humanos necesitan la radiación UV-A para la síntesis de vitamina D; sin embargo, demasiada radiación UV-A causa fotoenvejecimiento (endurecimiento de la piel), supresión del sistema inmunitario y, en menor grado, enrojecimiento de la piel y formación de cataratas. El ozono absorbe fuertemente los rayos UV B y C, pero la absorción disminuye a medida que la longitud de onda aumenta a 320 nm. Muy poco UV C llega a la superficie de la Tierra debido a la absorción de ozono.
¿Cómo se produce el ozono en la atmósfera?
Cuando una molécula de oxígeno recibe un fotón (h nu), se disocia en átomos monoatómicos (reactivos). Estos átomos atacan una molécula de oxígeno para formar ozono, O3.
[ ce {O2 + h nu rightarrow O + O} label {1} ]
[ ce {O2 + O rightarrow O3} label {2} ]
La última reacción requiere una tercera molécula para eliminar la energía asociada con el radical libre (O ^ { cdot} ) y (O_2 ), y la reacción puede ser representada por
[ ce {O2 + O + M rightarrow O3 + M *} label {3} ]
La reacción general entre el oxígeno y la formación de ozono es:
[ ce {3 O2 rightleftharpoons 2 O3} label {4} ]
La absorción de UV B y C conduce a la destrucción del ozono
[ ce {O3 + h nu rightarrow O + O2} label {5} ]
[ ce {O3 + O rightarrow 2 O2} label {6} ]
Se establece un equilibrio dinámico en estas reacciones. La concentración de ozono varía debido a la cantidad de radiación recibida del sol.
Ejemplo ( PageIndex {1} )
La entalpía de formación de ozono es 142.7 kJ / mol. La energía de enlace de O2 es 498 kJ / mol. ¿Cuál es la energía de enlace O = O promedio de la molécula de ozono doblada O = O = O?
SOLUCIÓN
La reacción general es
[ ce {3 O2 rightarrow 2 O3} ; ; ; Delta H = 286 kJ ]
Tenga en cuenta que 3 O = O enlaces de oxígeno se rompen y se forman 4 enlaces O-O de ozono. Si la energía de enlace del ozono es E , entonces
[ begin {align *} E & = (3 * 498 + 286) kJ / 4 mol \ [4pt] & = 445 kJ / mol end {align *} ]
DISCUSIÓN
Los enlaces de ozono son ligeramente más débiles que los enlaces de oxígeno. La energía de enlace promedio no es la energía de enlace para la eliminación de un oxígeno del ozono.
[ ce {O3 + h nu rightarrow O + O2} ]
¿Se puede estimar la energía para eliminar un oxígeno a partir de los datos proporcionados aquí?
Las técnicas utilizadas en este cálculo se basan en el principio de conservación de la energía .
Ejemplo ( PageIndex {2} )
La energía de enlace de O2 es 498 kJ / mol. ¿Cuál es la longitud de onda máxima del fotón que tiene suficiente energía para romper el enlace O = O del oxígeno?
SOLUCIÓN
La energía por enlace O = O es:
[(498000 J / mol) / (6.022×1023 enlaces / mol) = 8.27×10-19 J / enlaces ]
La longitud de onda ( lambda ) de los fotones se puede evaluar usando
[E = dfrac {h c} { lambda} ]
[ begin {align *} lambda & = dfrac {(6.626 times 10 ^ {- 34} , J cdot s) * (3 times 10 ^ 8 , m / s)} {8.27 times 10 ^ {- 19} J} \ [4pt] & = 2.403 times 10 ^ {- 7} , m = 240 nm end {align *} ]
DISCUSIÓN
La región visible varía de 300 nm a 700 nm, y la radiación con una longitud de onda de 240 nm está en la región ultravioleta (Figura ( PageIndex {1} )). La luz visible no puede romper el enlace O = O, y la luz UV tiene suficiente energía para romper el enlace O = O.
Clorofluorohidrocarburos (CFC)
El químico Roy J. Plunkett descubrió la resina de tetrafluoroetileno mientras investigaba refrigerantes en DuPont. Conocido por su nombre comercial, Teflon, se descubrió que el descubrimiento de Plunkett es extremadamente tolerante al calor y resistente a los golpes. Después de diez años de investigación, el teflón se introdujo en 1949. Su investigación continua condujo al uso de clorofluorohidrocarburos conocidos como CFC o freón como refrigerantes.
Los CFC están compuestos de carbono, hidrógeno, flúor y cloro. DuPont utilizó un sistema de numeración para distinguir su producto basado en tres dígitos. Los dígitos están relacionados con las fórmulas moleculares.
- El primer dígito es el número de átomos de carbono menos 1.
- El segundo dígito es el número de átomos de hidrógeno más 1.
- El tercer dígito es el número de átomos de flúor menos 1.
Por ejemplo, CFC (o freón) 123 debe tener una fórmula C 2 HF 3 Cl 2 . El número de átomos de cloro se puede deducir de la fórmula estructural de las cadenas de carbono saturadas. Los CFC que contienen solo un átomo de carbono por molécula tienen solo dos dígitos. El freón 12 utilizado para los acondicionadores de aire de refrigeradores y automóviles tiene una fórmula de CF 2 Cl 2 . Los CFC no tóxicos y no inflamables se han utilizado ampliamente como refrigerantes, en aerosol y líquido de limpieza en seco, agentes espumantes, limpiadores para componentes electrónicos en los años 70, 80 y principios de los 90.
En 1973, James Lovelock demostró que todos los CFC producidos hasta ese momento no se han destruido, sino que se han extendido por toda la troposfera. (El informe de Lovelock se publicó más tarde: JE Lovelock, RJMaggs y RJ Wade, (1974); Nature , 241 , 194) En el artículo, las concentraciones de CFC en algunas partes por 10 11 por volumen se midió, y dedujeron que con tal concentración, los CFC no se destruyen con los años. En 1974, Mario J. Molina publicó un artículo en Nature que describe el agotamiento del ozono por los CFC. (ver MJ Malina y FS Rowland, (1974); Nature , 249 , 810) La NASA luego confirmó que HF estaba presente en la estratosfera, y este compuesto no tenía una fuente natural sino de La descomposición de los CFC. Molina y Rowland sugirieron que los radicales de cloro en los CFC catalizan la descomposición del ozono como se discute a continuación.
¿Cómo ayudan los CFC a agotar el ozono?
Una preocupación relativamente reciente es el agotamiento del ozono, O3 debido a la presencia de cloro en la troposfera y, finalmente, su migración a la estratosfera. Una fuente importante de cloro son los freones: CFCl3 (Freon 11), CF2Cl2 (Freon 12), C2F3Cl3 (Freon 113), C2F4Cl2 (Freon 114). Los freones se descomponen en la troposfera. Por ejemplo,
[ ce {CFCl3 rightarrow CFCl2 + Cl} ]
[ ce {CF2Cl3 rightarrow CF2Cl + Cl ^.} ]
Los átomos de cloro catalizan la descomposición del ozono,
[ ce {Cl + O3 rightarrow ClO + O2} ]
y las moléculas de ClO reaccionan aún más con el O generado debido a la descomposición fotoquímica del ozono:
[ ce {O3 + h nu rightarrow O + O2} ]
[ ce {ClO + O rightarrow Cl + O2} ]
[ ce {O + O3 rightarrow O2 + O2.} ]
El resultado neto o reacción es
[ ce {2 O3 rightarrow 3 O2} ]
Por lo tanto, el uso de CFC es ahora una preocupación mundial. En 1987, ciento cuarenta y nueve (149) naciones firmaron el Protocolo de Montreal. Acordaron reducir la fabricación de CFC a la mitad en 1998; También acuerdan eliminar los CFC.
El agotamiento del ozono en la región polar es diferente de otras regiones. El debate sobre el agotamiento del ozono a menudo involucra a los polos norte y sur. En estas regiones, cuando las temperaturas caen a 190 K, se forma una nube de hielo. Los cristales de hielo actúan como catalizador heterogéneo convirtiendo HCl y ClONO 2 en (HNO_3 ) y (Cl_2 ),
[ ce {Cl + ClONO2 rightarrow HNO3 + Cl2} ]
[ ce {H2O + ClONO2 rightarrow HNO3 + HOCl.} ]
Tanto Cl 2 como HOCl se fotolizan fácilmente en átomos de Cl, que catalizan el agotamiento del ozono. Esto se acaba de discutir en la sección anterior.
¿Qué se ha hecho y qué se puede hacer para reducir el agotamiento del ozono?
Los gobiernos de EE. UU. Y Canadá han prohibido el uso de freones en aerosoles, pero su uso en equipos de aire acondicionado y refrigeración continúa. Para eliminar el freón en la atmósfera, se requiere un esfuerzo internacional concertado y determinación. Sin embargo, se requiere información científica sólida y confiable. La prohibición de los CFC abre una oportunidad de investigación para que otro invento encuentre su sustituto. ¿Quién sabe qué otros problemas traerá el nuevo producto?
Preguntas
- ¿Cuál es la unidad utilizada para medir las capas de ozono?
Habilidad – Define una unidad que usas.
- ¿Cuál es el rango de longitud de onda de la radiación UV?
Habilidad – Describe la radiación UV.
- ¿En qué se diferencia el ozono del oxígeno?
Habilidad – Describe la formación de ozono.
- Cuando los CFC están expuestos a los rayos UV o la luz solar, ¿qué especies se producen?
Habilidad – Explicar una reacción de fotodescomposición.
- ¿Cuál es el papel del radical cloro en la formación o las reacciones del ozono?
Habilidad – Explica el mecanismo de la reacción catalítica.
- ¿Qué en la zona polar hace que el agotamiento del ozono sea más grave?
Soluciones
- Unidad Dobson.
- La radiación UV es radiación electromagnética con una longitud de onda entre 100 y 400 nm.
- Las moléculas de ozono consisten en 3 átomos, mientras que las moléculas de oxígeno habituales 2.
- Se producen radicales reactivos, incluido el radical cloro monoatómico.
- El radical cloro cataliza la descomposición del ozono.
- Las nubes de hielo actúan como catalizadores heterogéneos para la formación de cloro gaseoso.
Discusión – El gas de cloro se fotodisocia en radicales Cl que catalizan la descomposición del ozono.
Guía de aprendizaje
- Organice las regiones del espectro electromagnético en energías crecientes de sus fotones: rayos X, visibles, rayos gamma, ultravioleta, infrarrojo, microondas, etc.
- Los ejemplos en esta página pueden ser preguntas de prueba.
- ¿Qué son los CFC?
¿Qué son los freones 12, 123 y 114?
¿Explicar cómo los CFC ayudan a destruir la capa de ozono de la atmósfera, particularmente la región polar?