ХИМИЯ В РЕШЕНИИ ГЛОБАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА: ОЗОН

Козлова Дарья

класс 9 «м», МАОУ СОШ № 197 г. Екатеринбурга

Чиликова Светлана Алексеевна

научные руководитель, учитель 1-й квалификационной категории, преподаватель химии МАОУ СОШ № 197 г. Екатеринбурга

«Внезапно со спутника слежения поступил тревожный сигнал: дыра в озоновом слое над Северным полюсом стала резко расширяться и увеличилась вдвое… После того как исчез озоновый фильтр, количество заболевших раком кожи из-за солнечной радиации стало стремительно расти. Погибли сотни тысяч человек… В результате нового подъема уровня океана разом ушли под воду Япония, Азорские и Канарские острова. Погибли сотни миллионов людей».
(Б. Вербер «Рай на заказ»)

Поистине неутешительны строчки из романа Б. Вербера «Рай на заказ» [3]! Они заставляют задуматься о том, что происходит с озоновым слоем Земли, и о том, действительно ли последствия происходящего могут сказаться на всем человечестве.

Современные ученые полагают, что сегодня существуют три глобальные проблемы, которые ставят человечество под угрозу:

1.Высокий уровень развития технологий обеспечивает совершенствование оружия массового уничтожения, становится большим риск самоуничтожения человечества.

2.Отношение к природе, как к бесконечному источнику ресурсов для человеческой деятельности приводит к нарастанию экономического кризиса. Человек своей хозяйственной деятельностью разрушает биосферу как цельную систему.

3.Стремление человека преобразовать мир приводит к возникновению непредвиденных социальных факторов. Нехватка продовольствия, нехватка чистой воды, проблемы чистого воздуха в мегаполисах, демографические проблемы — вот следствия попыток человека подчинить себе природу.

Риск глобальной экологической катастрофы на современном этапе развития общества требует выработки принципиально новых стратегий научно-технического и социального развития человечества. Не отказ от научно-технического развития, а придание ему гуманистической направленности — вот ключевое направление, в котором должно двигаться человечество [9].

Реализация этого принципа невозможна без создания таких условий, которые помогут нам понять:

·     как сам человек оценивает перечисленные опасности?

·     какие из проблем он субъективно находит более важными?

·     какие стереотипы могут искажать представление человека об опасностях?

На основании этих данных каждая отдельная наука может внести свой вклад в прояснение людям истинного положения вещей. Грамотная и своевременная информационная подготовка поможет включить людей в решение глобальных проблем человечества.

В попытке найти ответы на поставленные выше вопросы мы провели опрос в социальной сети «В Контакте», в котором приняли участие 131 человек из различных городов РФ. С учетом знаний об основных проблемах человечества, которые обобщены учёными, мы составили следующую инструкцию: «В данный период жизни, к сожалению, существует множество глобальных проблем человечества. Это совокупность социоприродных проблем, от решения которых зависит социальный прогресс человечества и сохранение цивилизации. Эти проблемы возникают как объективный фактор развития общества и для своего решения требуют объединённых усилий всего человечества. Глобальные проблемы взаимосвязаны, охватывают все стороны жизни людей и касаются всех стран мира! Какую глобальную проблему человечества Вы бы начали решать в первую очередь?»

Из результатов опроса, представленных на диаграмме (рис. 1), становится очевидно, что менее всего участников волнует глобальное потепление и озоновые дыры. Таким образом, можно сформулировать проблему, которая, как нам кажется, является актуальной в настоящее время — недооценка экологических проблем, связанных с разрушением озонового слоя Земли.

Мы предположили, что недооценка связана с недостаточной информированностью о проблеме. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу, в рамках научной работы «Проблемы озонового слоя Земли», мы провели еще один опрос, целью которого было узнать мнение людей разных возрастов на данную тему. Знают ли они, что озоновый слой — важная составляющая жизни на Земле? Задумывались ли они о проблемах озонового слоя Земли?

Рисунок 1. Результаты опроса в социальной сети о глобальных проблемах человечества

Рисунок 2. Результаты социального опроса на тему важности проблем озонового слоя Земли

Были даны краткие пояснения, что основная проблема озонового слоя — это выброс парниковых газов в атмосферу, а также использование множества аэрозолей, которые мы употребляем в нашей повседневной жизни. Фреоны, выбрасываемые в атмосферу, накапливаются и могут существовать там десятки, а то и сотни лет. Если не принимать никаких мер по восстановлению озонового слоя, то под действием человеческого фактора озоновые дыры будут расширяться, что может привести к плачевным последствиям.

Результаты опроса представлены на диаграмме (рис. 2).

Стоит отметить, что даже при прояснении важности проблемы, 16,2 % из числа респондентов сообщили, что «не понимают всей важности вопроса», а 6,2 % вообще не считают проблему значимой. Таким образом, грамотное научное обоснование проблемы озонового слоя может способствовать привлечению внимания людей к данной теме и, возможно, создать условия для их готовности к конкретным поступкам по его сохранению.

Также шел параллельный опрос, в результате которого было выяснено, что очень большое количество людей вообще не знают, что есть озоновый слой и существуют проблемы, связанные с ним. Результаты представлены на диаграмме (рис. 3).

Таким образом, информированность в области химии — это реальный шаг к формированию экологической культуры. Современная политика в сфере образования находит экологическую культуру важнейшим результатом образования [14]. Поэтому практическое значение нашего исследования реализуется в обсуждении его результатов с учащимися нашего ОУ на общешкольной научной конференции.

Рисунок 3. Результаты опроса по осведомленности общества о проблемах озонового слоя Земли

Исходя из проблем, выявленных в процессе опросов, можно сформулировать цели нашей работы:

·     Проанализировать информацию об истории открытия озона, его строении, химических свойствах, получении в природе и возможных путях разрушения,

·     Оценить пути и способы ликвидации глобальной проблемы человечества, связанной с разрушением озонового слоя Земли.

Обратимся к истории открытия и исследования озона. Впервые это вещество обнаружил голландский физик М. ван Марум в 1785 году. Его заинтересовали характерный запах, который приобретает воздух после пропускания через него электрического разряда, и ярко выраженные окислительные свойства, проявлявшиеся в способности действовать на один из самых химически неактивных металлов — ртуть, при комнатной температуре. Однако тогда озон не был признан новым веществом.

Название «озон» было предложено в 1840 году немецким химиком Шёнбейном за особый специфический запах этого газа. Шёнбейн показал способность озона вытеснять йод из иодида калия, проведя реакцию, уравнение которой приведено ниже:

O₃ + H₂O + 2 KI  = O₂ + 2KOH + I₂

Согласно теории окислительно-восстановительных процессов, озон являлся в этой реакции окислителем. Термин «озон» прочно вошёл в научную терминологию лишь в конце XIX века.

Исследованиями свойств озона занимались многие химики того времени. Например, ученые Эндрюс и Тэт экспериментально доказали факт уменьшения объёма газа при превращении кислорода в озон. Причем, установка для проведения эксперимента была предельно проста. Она представляла из себя стеклянную трубку с присоединенным манометром, наполненную чистым кислородом. В трубку были впаяны платиновые электроды для получения электрического разряда [12].

В природе во время грозы в верхних слоях атмосферы при разрядах атмосферного электричества могут создаваться условия, при которых двухатомные молекулы кислорода распадаются на атомы. Однако кислород не может существовать длительно в атомарном виде, атомарный кислород перегруппировывается с образованием молекул озона O₃ (рис. 4) [11]. Именно в верхних слоях атмосферы скапливается озон, образуя тончайший слой, который и называется озоновым слоем Земли.

Рисунок 4. Схема образования молекул озона под действием разряда молнии

В 1912 году французскими учеными Шарлем Фабри и Анри Буиссоном был впервые обнаружен озоновый слой Земли. С помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения ученые доказали наличие озона в отдалённых слоях атмосферы Земли.

Озоновый слой располагается на высоте от 12 до 50 км, в зависимости от широты. Толщина озонового слоя по сравнению с толщиной атмосферы очень мала, но именно озоновый слой поглощает ультрафиолетовое излучение, защищая от солнечной радиации все живое на Земле [7].

На рис. 5 представлена схема молекулы озона.

Рисунок 5. Схема строения молекулы озона

При нормальных условиях озон — газ голубого цвета. Температура кипения — 111,9°°C. Жидкий озон тёмно-фиолетового цвета [6]. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.

Обе связи O—O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,272 Å. Угол между связями составляет 116,78°. Центральный атом кислорода sp²-гибридизован, имеет одну неподелённую пару электронов. Молекула полярна, дипольный момент 0,5337 D [4].   

Образование озона проходит по обратимой реакции:

3 O₂ + 95 кДж ↔ 2 O₃

Молекула О₃ неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O₂ с выделением тепла. Скорость перехода озона в кислород возрастает при повышении температуры и понижении давления. При больших концентрациях переход может происходить с взрывом. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.

Озон стабилен в присутствии небольших количеств азотной кислоты. В герметичных емкостях из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при температурах ниже — 78° С практически не разлагается.

Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Он окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления и многие неметаллы. Продуктом реакции восстановления озона является кислород.

Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием диоксида углерода:

2C +2O₃ = CO₂ + 2O₂

Озон реагирует с водородом с образованием воды и кислорода:

O₃ + H₂ = O₂ + H₂O

Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:

3C₄N₂ + 4O₂ = 12 CO + 3N₂

Озон, обладая мощными окислительными способностями, может вступать в химические реакции без нагревания.

Механизм образования, а также расходования озона был предложен Сидни Чепменом в 1930 году и носит его имя.

Реакции образования озона (где hν — квант света):

О₂ + hν → 2О

О₂ + O → О₃

Реакции разложения озона:

О₃ + hν → О₂ + О

О₃ + O → 2О₂

Кроме реакций, входящих в механизм Чепмена, имеется целый ряд других реакций, приводящих к разрушению озона. Их объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное, водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.

Возникновение «озоновых дыр» в верхних слоях атмосферы многие ученые связывают с хозяйственной деятельностью человека. Доля галогенового пути распада озона в верхних слоях атмосферы увеличилась в результате использования фреонов — группы насыщенных алифатических фторсодержащих углеводородов, применяемых в качестве хладагентов, пропеллентов, вспенивателей, растворителей. Фреоны обладают высокой парниковой активностью, во много раз превышающей парниковую активность углекислого газа. Основным источником фреона являются холодильные установки и аэрозоли [1, 2, 4, 15].

Озоновая дыра — локальное уменьшение содержания озона в озоновом слое Земли. По одной из принятых в современной науке теорий, истончению озонового слоя способствовало выделение в атмосферу галоген-содержащих фреонов. Этот факт был особо отмечен в докладе Всемирной метеорологической организации [9].

Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» в верхних слоях атмосферы может быть в значительной мере естественным, не связанным с антропогенным воздействием.

Возникновение глобальных природных и экономических кризисов обозначили, человечество подошло к критическим рубежам.

Однако люди осознают всю серьезность ситуации. Об этом свидетельствует заключение международных соглашений, направленных на ликвидацию последствий разрушения озонового слоя [13]. 16 сентября провозглашено Генеральной Ассамблеей ООН Международным днем охраны озонового слоя [8].

Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой был разработан с целью защиты озонового слоя с помощью снятия с производства некоторых химических веществ, которые разрушают озоновый слой. Договор вступил в силу 1 января 1989 года. После этого последовала первая встреча в Хельсинки в мае 1989 года. С тех пор протокол подвергался пересмотру семь раз: в 1990 (Лондон), 1991 (Найроби), 1992 (Копенгаген), 1993 (Бангкок), 1995 (Вена), 1997 (Монреаль), 1999 (Пекин). Ученые считают, что если страны, подписавшие протокол, будут его придерживаться, то можно надеяться, что озоновый слой восстановится к 2050 году.

Россия присоединилась к Монреальскому протоколу в 1987 году, еще будучи Союзным государством. В 1991 году Российская Федерация, Украина и Белоруссия подтвердили свою правопреемственность этому решению [5].

По состоянию на декабрь 2009 года 196 государств-членов ООН ратифицировали первоначальную версию Монреальского протокола, но не все страны ратифицировали последующие поправки.

Решению глобальных экологических проблем также должен способствовать Киотский протокол, подписанный крупными странами в 1997 году в городе Киото (Япония). Это соглашение обязывает страны сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов.

Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов фреонов путём перехода на другие вещества, процесс восстановления озонового слоя займёт несколько десятилетий. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки и даже сотни лет. Поэтому затягивания озоновых дыр не стоит ожидать ранее 2048 года [10].

Итак, именно способность озона задерживать космическую радиацию, превращаясь при этом из трехатомной молекулы в двухатомную, обуславливает его жизненную важность для человечества в целом.

Современное общество, понимая проблему разрушения озонового слоя как глобальную проблему человечества и принимая меры по приостановлению этого процесса, идет по пути созидания.

Список литературы

1.Биологические свойства озона / Электронный ресурс, режим доступа http://ru.wikipedia.org (дата обращения октябрь 2012 г.)

2.Бытовые Озонаторы — Очистители. / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://www.eegroup.ru/page_bit/ozon/ozon01 (дата обращения октябрь 2012 г.).

3.Вербер Б. Рай на заказ. / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://fictionbook.in/bernard-verber-ray-na-zakaz.html (дата обращения октябрь 2012 г.).

4.Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев, 1989 г. 406 с.

5.Документы ООН. A/CN.4/Z. 524 от 21 июня 1996 г. / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://www.un.org/ru/ (дата обращения октябрь 2012 г.).

6.Карякин Ю.В. Ангелов И.И. Чистые химические вещества. М., «Химия», 1974 г., 408 с.

7.Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П. Экология. Издательство: «Дрофа», 1995 г.

8.Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. 1987 г. / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://www.graton.su/kioto115.html (дата обращения октябрь 2012 г.).

9.Муравьев А.Г. Оценка экологического состояния природно-антропогенного комплекса: Учебно-методическое пособие. Изд. 2-е. М.: Изд-во МГУ, 1994 г.

10.Парламентские слушания «О загрязнении атмосферы и сохранении озонового слоя Земли» // Думский вестник № 1 (16), 1996 г.

11.Появление озона в природе / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://specural.com/view_machine.php?id=3881, (дата обращения октябрь 2012 г.)

12.Рипан Р., Четяну И. Руководство к практическим работам по неорганической химии. Издательство: «Мир» 1965 г.

13.Степин В.С. Философия науки: Общие проблемы. Учебник для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://fictionbook.in/ (дата обращения октябрь 2012 г.)

14.Федеральный государственный образовательный стандарт / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://standart.edu.ru/ (дата обращения 08.04.2012).

15.Химические свойства озона. / [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://www.krugosvet.ru/enc/khimiya (дата обращения октябрь 2012 г.).