Przeczytaj
Freony (CFC)
Freony to powszechna nazwa chloro- i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych. Właściwą nazwą jest skrót CFC, pochodzący od angielskiego chlorofluorocarbons.
Słowo „freon” jest opatentowaną nazwą handlową produktu odkrytego przez Thomasa Midglay ok. 1920 roku i zastrzeżoną przez amerykański koncern chemiczny DuPont, który stworzył także produkty, tj. teflon, kevlar i nylon.
CFC zaczęto z powodzeniem stosować w przemyśle już pod koniec lat 40. XX w. Bardzo szybko znalazły zastosowanie jako środki chłodnicze w lodówkach, chłodniach i klimatyzacjach. Były prawdziwą rewolucją, więc rozszerzono wykorzystywanie CFC do produkcji lakierów, kosmetyków, leków, środków czyszczących i wielu innych.
Są masowo stosowane jako czynniki chłodzące (np. w lodówkach, klimatyzatorach), nośniki gazów w aerozolach, środki przeciwpożarowe, środki miejscowo znieczulające, środki spieniające do pianek, półprodukty chemiczne, nośniki ciepła, rozpuszczalniki oraz odtłuszczacze metalowych powierzchni.
Ze względu na swoją małą aktywność chemiczną, wydawały się idealne do wielu zastosowań i trudno im odmówić wielu atrakcyjnych dla przemysłu cech, np.:
nie powodują utleniania substancji, z którymi się stykają;
nie są rozpuszczalne w wodzie;
są bardzo lotne, dzięki czemu nie gromadzą się na obszarach zamieszkiwanych przez organizmy żywe.
Ostatecznie okazało się, że teoretycznie najlepsze cechy freonów, jak właśnie trwałość, obojętność i lotność, są dużym zagrożeniem dla środowiska, a co za tym idzie – również dla naszego życia. Uwolnione freonyfreony nie gromadzą się tylko w dolnych warstwach atmosfery, ale przemieszczają się w jej wyższe partie, czyli do stratosfery. To, co ceniliśmy z punktu widzenia naszych potrzeb, a więc ta trwałość i mała reaktywność, sprawia, że związki te mogą pozostawać w ziemi przez setki lat, działając tym samym destrukcyjnie. Mimo to, pod wpływem światła ultrafioletowego freony rozpadają się na wolne pierwiastki:
Węgiel, powstały w rozpadzie, ulega spalaniu, jednak fluor i chlor wchodzą w reakcję z cząsteczkami ozonu , powodując ich rozpad i powstanie tlenków fluoru i chloru oraz cząsteczek . Zjawisko rozpadu freonów i ich niszczącego wpływu na warstwę ozonowąwarstwę ozonową odkryli w 1971 roku dwaj chemicy: Amerykanin Sherwood Rowland i Meksykanin Mario Molina.
W 1976 r. na wniosek ONZ freony trafiły na listę związków stanowiących zagrożenie dla środowiska, ale nie zostały wycofane z użycia. Fakt, iż były bardzo tanie oraz wręcz niezastąpione w wielu zastosowaniach powodował, iż koncerny przemysłowe niechętnie z niego rezygnowały. W roku 1982 podczas rutynowych badań warstwy ozonowej nad Antarktydą, prowadzonych przez brytyjską stację naukową „Halley Bay”, naukowcy odkryli, że spora część warstwy ozonowej zniknęła.
Kolejne badania potwierdziły, iż warstwa ozonowa nad biegunem zaczęła w szybkim tempie znikać. W październiku 1987 roku warstwa ta była o połowę mniejsza niż w roku 1982, a w 1989 zniknęło prawie 95% początkowej ilości ozonu.
Naukowcy zaczęli szczegółowo badać zjawisko powstawania tzw. dziury ozonowejdziury ozonowej. Doszli oni do wniosku, iż przyczyną tego była wciąż rosnąca koncentracja freonów w górnych warstwach atmosfery.
Warstwa ozonowa rozciąga się między 15 a 50 kilometrami n.p.m. To otaczająca Ziemię otoczka wewnątrz stratosfery o grubości kilkunastu kilometrów, w której luźno poruszają się cząsteczki ozonu i pozostałe gazy tworzące atmosferę. Na tych wysokościach ozon jest jedynym gazem w atmosferze, mogącym absorbować promieniowanie ultrafioletowe oraz zamieniać zaabsorbowane promieniowanie na energię cieplną, dzięki czemu pełni rolę atmosferycznego termoregulatora.
Czy zastanawialiście się kiedyś, ile ozonu znajduje się w warstwie ozonowej? 5%? 30%? A może 70%?
W rzeczywistości jest go znacznie mniej! Jego masa stanowi zaledwie 5/100 000 masy całej atmosfery, a po nadaniu mu gęstości i temperatury takiej, jaka panuje przy powierzchni Ziemi, stworzyłby warstwę o grubości zaledwie 3mm!
Naukowcy, podając ilość ozonu, posługują się parametrem, który pokazuje, jak grubą warstwę utworzyłby , gdyby wyciągnąć go z atmosfery i umieścić na powierzchni Ziemi. Jednostka ta nosi nazwę dobson (ang. Dobson Unit, DU), nazwana na cześć jednego z pierwszych badaczy warstwy ozonowej, G.M.B. Dobsona.
Średnia grubość warstwy ozonowej to zaledwie 300 dobsonów (3 mm), obszar, w którym spadnie ona poniżej 220 DU, nazywamy dziurą ozonową. Należy pamiętać, że jest to próg umowny. Nawet jeśli nie zostaje on osiągnięty, to ryzyko chorób związanych ze zwiększoną ekspozycją na UV i tak rośnie wraz z obniżeniem koncentracji ozonu.
Dziura ozonowa
Dziura ozonowa to zjawisko obniżenia stężenia ozonu () w stratosferze atmosfery ziemskiej. Występuje głównie w obszarach podbiegunowych (co jest wynikiem globalnej cyrkulacji powietrza).
Nawet kilka procent ozonu mniej powoduje, iż natężenie promieniowania UV na Ziemi znacznie wzrasta, co może prowadzi do zatrzymywania fotosyntezy (uszkodzenie chlorofilu), do zmian klimatycznych oraz przyczynia się do zwiększenia ilości przypadków raka skóry oraz chorób oczu. Naukowcy szacują, że w atmosferze znajduje się ponad 20 mln ton CFC. Jedna cząsteczka chloru z CFC może zniszczyć do 100 tysięcy cząsteczek ozonu. Właśnie z tego powodu modyfikowane są światowe standardy dotyczące urządzeń klimatyzacyjnych. Zamiast CFC stosuje się nową substancję o nazwie HFC (wodorofluorowęglowodory).
ODP, czyli Potencjał niszczenia warstwy ozonowejPotencjał niszczenia warstwy ozonowej (ang. Ozone Depletion Potential), to wskaźnik utworzony w celu ilościowej oceny wpływu poszczególnych substancji na warstwę ozonową.
Największe zagrożenie dla grubości warstwy ozonowej stanowią substancje, które możemy podzielić na dwie grupy:
zawierające atomy chloru lub bromu, czyli CFC, tj. R11, R12, R113 i R115 oraz ich mieszaniny,
halonyhalony, np. 1211, 1301 czy 2402.
Oznaczenie według PN‑90/M‑04611 (ISO 817:1974) | Wzór chemiczny | Substancja | Potencjał niszczenia ozonu |
---|---|---|---|
Grupa I | |||
R11 | CFC‑11 | 1,0 | |
R12 | CFC‑12 | 1,0 | |
R113 | CFC‑113 | 0,8 | |
R114 | CFC‑114 | 1,0 | |
R115 | CFC‑115 | 0,6 | |
Grupa II | |||
R12B1 | Halon‑1211 | 3,0 | |
R13B1 | Halon‑1301 | 10,0 | |
R114B2 | Halon‑2402 | 6,0 |
Jedna cząsteczka chloru z CFC może zniszczyć do 100 tysięcy cząsteczek ozonu. Właśnie z tego powodu modyfikowane są światowe standardy dotyczące urządzeń klimatyzacyjnych. Zamiast CFC stosuje się nową substancję o nazwie HFC (wodorofluorowęglowodory) - czynniki te uznawane są za substancje o zerowym wskaźniku ODP.
W roku 1987 w celu przeciwdziałania niszczeniu warstwy ozonowej społeczność międzynarodowa ustanowiła Protokół montrealski w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową. Był to pierwszy traktat międzynarodowy podpisany przez wszystkie kraje świata. Jest uznawany za największy sukces w zakresie ochrony środowiska w historii ONZ. Celem Protokołu montrealskiego jest obniżenie produkcji i zużycia substancji zubożających warstwę ozonową, aby ograniczyć ich obecność w atmosferze i w ten sposób chronić warstwę ozonową Ziemi.
Od czasu podjęcia przez kraje działań na mocy protokołu montrealskiego, globalne zużycie, m.in. CFC i halonów, zmniejszyło się o około 98%. W efekcie, także ich stężenie w atmosferze spada, a warstwa ozonowa wykazuje pierwsze oznaki regeneracji.
W jaki sposób freony powodują rozpad cząsteczek ozonu?
Obecne w stratosferze freony, pod wpływem światła ultrafioletowego (o długości fali 175 nm‑220 nm) ulegają rozkładowi, uwalniając chlor atomowy.
Rozpad cząsteczek ozonu pod wpływem chloru zachodzi na drodze reakcji katalitycznych, w wyniku których pojedynczy atom chloru może spowodować rozpad tysięcy cząsteczek ozonu. Na szczęście większość chloru atmosferycznego istnieje w postaci nieaktywnych katalitycznie form, tj. i .
W jaki sposób tworzone były specyficzne nazwy freonów?
Komercyjnie znane krótkie nazwy freonów, np. Freon‑12, były powszechnie stosowane, ponieważ były łatwiejsze i prostsze niż systematyczne nazwy tych związków. Sposób przyporządkowania numeru danemu freonowi został zobrazowany w poniższej tabeli.
Wzór | C‑1 | H+1 | F | Nazwa |
1‑1=0 | 0+1=1 | 1 | Freon‑11 | |
1‑1=0 | 0+1=1 | 2 | Freon‑12 | |
2‑1=1 | 0+1=1 | 2 | Freon‑112 | |
2‑1=1 | 0+1=1 | 3 | Freon‑113 |
Zmiana rozmiaru antarktycznej dziury ozonowej
Przeanalizuj wykres i sprawdź, jak zmieniał się zasięg dziury ozonowej w poszczególnych latach. Kiedy zaczęła się ona gwałtownie powiększać? Jaki trend zauważasz w ostatnich dziesięciu latach?
Wyjaśnij, dlaczego dziura ozonowa występuje nad Antarktydą.
Słownik
to warstwa atmosfery ziemskiej o zwiększonej zawartości ozonu; znajduje się w stratosferze na wysokości od 15- 50 km od powierzchni Ziemi. Ozonosfera chroni organizmy żywe, pochłaniając bardzo szkodliwe promieniowanie nadfioletowe o dł. fali 200–300 nm
jest to niekorzystne zjawisko spadku stężenia ozonu () w stratosferze. Występuje głównie nad obszarami podbiegunowymi. Spowodowana jest przede wszystkim czynnikami antropogenicznymi, szczególnie niekorzystnym wpływem freonów
to chlorowcopochodne węglowodorów alifatycznych, tj. metan i etan (skrót CFC), zawierające głównie fluor i chlor. Są to bezwonne, nietoksyczne i niepalne związki organiczne. Przed odkryciem niszczącego wpływu na warstwę ozonową były stosowane masowo jako gazy nośne w aerozolach, substancje chłodzące w lodówkach i klimatyzatorach. Są nimi m.in.: dichlorodifluorometan () oraz trichlorofluorometan ()
to chlorowcopochodne węglowodorów alifatycznych (metanu i etanu), zawierające atomy fluoru, bromu i/lub chloru. Stosowane jako środki gaśnicze. Są nimi m.in. trifluorobromometan (), difluorochlorobromometan () oraz tetrafluorodibromoetan ()
ODP (ang. Ozone Depletion Potential) to wskaźnik utworzony w celu ilościowej oceny wpływu poszczególnych substancji na warstwę ozonową.
Bibliografia
Encyklopedia PWN
http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/1993/79.pdf
https://www.sciencedirect.com/topics/chemical-engineering/chlorofluorocarbon
https://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/17-7-catalysis
https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/cfcs-ozone.html