臭氧层的形成和化学破坏

摘 要：臭氧层的破坏，是人类面临的三大环境问题之一.臭氧层担当着防止高能紫外线辐射直接照到地球表层大气的作用，因而臭氧层的存在是与人类健康及生态平衡关系密切的问题.随着现代工业的发展，平流层大气受到污染，臭氧层遭到破坏.自从二十世纪70年代Crutzen发现臭氧层遭到破坏以来，世界各国对此问题非常重视，做了大量研究，已基本弄清臭氧层的形成、作用及被破坏机理等问题，并制定了保护臭氧层的一系列国际公约，使臭氧层被破坏的速度得以减缓.

关键词：形成；机理；保护

作者简介： 王国栋（1985-），男，本科，中学二级教师，陕西户县人，研究方向：高中化学教学研究.

一、臭氧层的形成

在平流层中，氧气吸收波长为180nm-240nmUV（紫外线）光而使氧气分子分解：

O2+hν →O+O

自由的O原子和其它的O2分子形成臭氧，该反应被认为是平流层中臭氧的唯一来源：

O2+O+M → O3+M

但臭氧也会发生光解而遭到破坏：

O3+O → O2+O2

可见，平流层中同时存在着臭氧的产生和臭氧的分解两种光化学过程，这两种过程在光的作用下会达到动态平衡.最终，在离地面25km-30km的高空，就形成一浓度相对较大和稳定的臭氧层，阻挡了对人类有害的高能紫外线.

二、臭氧层化学破坏的机理

目前，人类认为直接破坏臭氧层的物质有：氮氧化物、氢氧自由基和卤代烷烃等.

1.氮氧化物对臭氧层的破坏作用

存在于大气中的氮氧化物有：N2O、NO、NO2.

N2O是自然界微生物活动的产物，大气中含量很少，活性较小，在低层大气中被认为是非污染性气体，当其扩散至平流层后，可被转化为一氧化氮：

N2O+O → NO+NO

N2O+hν→ NO+N

平流层中破坏臭氧的污染物为NO：

O3+NO → NO2+O2

NO2也能与平流层中较丰富的氧原子反应：

NO2+O → NO+O2

该反应速率较快，生成的一氧化氮再次破坏臭氧，可以认为是在一氧化氮催化下加速了臭氧与氧原子的反应：

O3+ONOO2+O2

据研究，一个N2O分子产生的NO引发上述链式反应，可破坏105个臭氧分子.

一氧化氮来源有两种方式，自然来源由一氧化二氮产生，人工源主要来自于平流层下部飞行的超音速飞机排放的废气.其排放的废气中所含的氮氧化物及水气均可破坏臭氧.

2.氢氧自由基对臭氧层的破坏

平流层中HO·自由基的来源主要来自喷气机排放的废气中的水气，其与臭氧的反应：

HO·+O3 → O2+HO2·

HO2·+O → O2+HO·

HO·自由基反复产生，其实质是在HO·自由基催化作用下臭氧与氧原子反应生成氧分子：

O3+OHO·O2+O2

3.卤代烷烃对臭氧层的破坏

（1）氟利昂

氟利昂是含氟氯饱和烃类的总称.Rowland和Molina于1974年提出了CFCs理论，阐明了氟利昂影响臭氧层厚度的机理.以CCl2F2为例：

CCl2F2+hν→ CF2Cl·+Cl

光解产生的Cl原子与臭氧发生作用，使臭氧遭到破坏：

O3+Cl → ClO·+O2

ClO·+O → Cl+O2

ClO·+O3 → ClO2·+O2

ClO2·+hν → Cl+O2

… …

其实质是在Cl原子催化下，臭氧与氧原子反应，生成氧分子：

O3+O Cl O2+O2

科学家证实，随着大气层高度的增加，氯原子对臭氧的破坏作用增强，当处于平流层时，一个氯原子可以分解掉105个O3分子.因此，氟利昂对平流层中的臭氧有巨大的破坏作用.

（2）哈隆

哈隆是一类含溴卤代甲、乙烷的商品名，主要用做灭火器.哈隆破坏臭氧层的机理与氟利昂类似，实质是在溴原子催化作用下，臭氧与氧原子反应：

O3+O Br O2+O2

研究结果表明，在平流层中，哈隆比氟利昂破坏更大.

（3）其它卤代烷烃

工农业生产中应用的氯仿（CHCl3）、甲基氯仿（CH3CCl3）等其它氯代烷烴也同样分解破坏臭氧.

综上所述，氮氧化物、HO·自由基、氟氯代烃等破坏臭氧层的机理是：这些物质分别产生的NO、HO·自由基、氯或溴原子等作为催化剂，加速了臭氧与氧原子的反应.

几种破坏臭氧层的物质中，主要危害物为氮氧化物，约占破坏总量的65%，其次为HO·自由基，约为20%，卤代烷烃类约占10%，自然破坏仅占5%左右.

三、臭氧层的保护

1987年，联合国26个会员国在加拿大蒙特利尔签署了环境保护公约《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》，又称《蒙特利尔议定书》.该议定书禁止或淘汰使用耗蚀臭氧层的化学品，其中包括曾广泛用于冰箱和喷雾器中的氟氯碳化物，自1989年1月1日起生效，开始了全球保护臭氧层的行动.

1995年联合国大会决定，每年的9月16日为国际保护臭氧层日.

联合国组织300名科学家对大气臭氧水平进行持续监测，每4年为一个评估期.

随着世界各国的努力，臭氧层在2000年—2013年间变厚了4%，南极洲上空的臭氧空洞也停止扩大.臭氧层虽然有所恢复，但离痊愈还很遥远，人类的保护行动依然任重道远.

参考文献：

[1]成广兴，邵军.臭氧层的化学破坏及其对策.化学通报，1999，（9）：44～47.

[2]汪桂斌.环境化学的回顾与展望.化学通报，1999，（11）：14～15.

[3]龚书椿，陈应新，韩玉莲，张静贞.环境化学，上海：华东师范大学出版社，1991：133～137.

[4]大连理工大学无机化学教研室编.无机化学（第4版），北京：高等教育出版社，2001：14～15.