Дырявая дыра (озон)
Увы, некоторые химические элементы тоже склонны к нетрадиционной ориентации, в последнее время занимающей умы многих наших соотечественников. Действительно, Господь (как считает один из авторов) или Природа (как считает другой автор) создавали элементы для того, чтобы они плодились и размножались, то есть вступали в связь с другими элементами, образуя все разнообразие химических веществ. У людей два пола, у элементов – куда больше, но разница тут непринципиальна.
Возьмем, например, кислород. Его задача (согласно Богу или, если угодно, Природе) – соединяться с другими элементами, отбирая у них электроны. Вот что об этом пишут умные люди.
Сильный окислитель взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления –2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (это и есть горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:
Окисляет соединения, которые содержат элементы с немаксимальной степенью окисления:
Окисляет большинство органических соединений:
Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме золота и инертных газов (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путем получены оксиды золота и тяжелых инертных газов (ксенон, радон). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами он играет роль окислителя, кроме соединений с фтором.
Результатом является здоровое потомство окислов, живущее уже собственной жизнью и вступающее в реакцию с другими веществами, обеспечивая, таким образом, химическое (по аналогии с биологическим) разнообразие на нашей планете, да и во Вселенной заодно.
Однако огромная часть атомов кислорода отлынивает от выполнения своего исконного предназначения и соединяется попросту друг с другом в молекулы О2, теряя на этот противоестественный союз значительную часть своего окислительного потенциала. Но и этим безобразием дело не ограничивается. Под влиянием ионизирующего излучения некоторые представители атомов кислорода окончательно теряют стыд и соединяются по трое в молекулы озона О3. Остается только развести руками и поговорить о свойствах этого вещества и его роли в нашей жизни.
Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик и ботаник Мартин ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретает воздух после пропускания через него электрических искр, а также по способности окислять ртуть при обычной температуре, вследствие чего она теряет свой блеск и начинает прилипать к стеклу. Все мы знаем, что воздух после грозы (то есть пропускания через него электрических разрядов) начинает «пахнуть озоном», то есть кажется более свежим. Вот как расхваливает озон в своих стихах 1989 года, посвященных Семену Кирсанову, поэт Давид Самойлов:
Он, невнимательный к природе,
Вдруг вспомнил летние дожди,
Когда все было на исходе,
Когда все было позади.
Тогда в Москве палило лето,
И долго не было дождя,
Лишь погромыхивало где‐то,
Грозою город обходя.
Но словно по его заказу
Блеснул изломанный разряд,
Ударил гром. И сразу, сразу
На город рухнул дождепад.
Со всех сторон хлестало, перло,
Блистало, грохало. И он
Вдохнул в истерзанное горло
Благоухающий озон.
От этих запаха и влаги
Легчало у него в груди,
Когда ложилось на бумаге
Про эти летние дожди.
Поэтам дозволяется многое, но справедливости ради отметим, что озон, эта аллотропная модификация кислорода, чрезвычайно агрессивен, поскольку легко распадается на обычную молекулу О2 и атомарный кислород, способный окислить едва ли не любое вещество. Органику он разрушает напрочь, металлы (за исключением золота, платины и иридия) превращает в окиси, сульфиды – в сульфаты, серу – в серную кислоту, и так далее.
Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить.
Полезен ли озон для человека? Прямо скажем, что компот или свиная отбивная действуют на наш организм гораздо благотворнее. Высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода делают его крайне ядовитым. Говорят даже, что при долгом нахождении в среде с повышенной концентрацией этого газа он может стать причиной мужского бесплодия. В России озон относится к вредным веществам первого, самого высокого класса опасности.
Впрочем, человечество ухитрилось и ему найти применение. В качестве окислителя он используется для стерилизации медицинских инструментов, в химическом синтезе, для отбеливания бумаги и очистки масел. В качестве непревзойденного обеззараживающего средства – для очистки воздуха, помещений и одежды, а главное – водопроводной воды, представляя собой прекрасную замену хлору (от озона в воде не остается неприятного привкуса). В Европе подобную обработку проходит 95 процентов водопроводной воды; есть станции озонирования и в России, например в Москве и Нижнем Новгороде. Кроме того, озоном обрабатываются многие марки родниковой воды в бутылках (что, пожалуй, и лишнее, поскольку в такой воде микробов быть не должно с самого начала).
Да, несправедливо будет не упомянуть об озонотерапии, когда больных – в частности, онкологических – заставляют дышать озоном, вводят его в суставы и в подкожную клетчатку в чистом виде, а в кровеносное русло – смешивая с физиологическим раствором и/или кровью пациента. Думается, что толченый рог носорога и печень тигра все‐таки полезнее, а услуги хорошего шамана, которые, во всяком случае, вам не повредят, обойдутся значительно дешевле.
А теперь перейдем к главной роли озона в качестве спасителя жизни на нашей планете. Дело в том, что в верхних слоях атмосферы под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой. Значительная часть ультрафиолета при этом поглощается, не достигает земли и, соответственно, не истребляет птиц, белочек, людей и прочих крокодилов, которые в противном случае вымерли бы еще пару миллиардов лет назад, а может быть, и вовсе бы не зародились.
Все бы хорошо, но (как и в случае пресловутого глобального потепления) алчное человечество роет само себе могилу, способствуя разрушению этого волшебного слоя. Так, по крайней мере, думает большинство ученых (к которым авторы не относятся). В докладе Всемирной метеорологической организации (ВМО) за 2012 год отмечено, что озоновый слой над Арктическим регионом уменьшается почти каждую зиму, но в предыдущие годы слой становился тоньше не более чем на 30 процентов, а за зиму 2010 – 2011 годов снижение составило рекордные 40 процентов. Авторы доклада обвиняют в этом, во‐первых, используемые в быту химические соединения и, во‐вторых, необычайно низкие зимние температуры в стратосфере.
Так называемая «озоновая дыра», то есть область с пониженной на 30 процентов и более концентрацией озона, регулярно образуется над Антарктидой именно из‐за ежегодно низких температур в стратосфере над этим континентом. При этом образуются облака из мелких кристаллов льда, на поверхности которых осаждаются химические вещества земного происхождения, которые и вступают в реакцию с озоном. В Арктике ситуация иная, здесь стратосферная температура может вообще не упасть до тех –80ºС, при которых образуется дыра. И в отдельные годы уменьшения озонового слоя над Арктикой вообще не происходит.
Впервые образование «озоновой дыры» было зафиксировано над Антарктидой в 1985 году английской экспедицией. Вскоре нашли и «виновника» распада озона. Большинство образующихся в результате человеческой деятельности веществ не в состоянии добраться до стратосферы и разлагаются еще в нижних слоях атмосферы. И только чрезвычайно инертные соединения углерода с хлором и фтором – фреоны достигают озонового слоя и подвергаются воздействию этого высокоактивного окислителя. Фреонов нам не жалко, а вот озон в результате таких реакций превращается в обычный кислород О2, не задерживающий вредный ультрафиолет.
Главными механизмами распада озона являются азотный, кислородный, водородный и галогеновый. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.
Кислородный цикл (механизм Чэпмена):
Азотный цикл (NOx):
Водородный цикл (HOx):
Хлорный цикл (ClOx):
Паника поднялась, когда выяснилось, что в хлорном цикле могут участвовать упомянутые фреоны, созданные человеком для нужд холодильной промышленности и для употребления в аэрозолях. Изучение химии этих соединений проводилось еще с начала 70‐х годов прошлого века, а после сообщений об «озоновой дыре» химики довольно быстро разобрались в особенностях реакции фреонов с озоном, названной циклом Молина. За эту работу в 1995 году трое ученых получили Нобелевскую премию – несомненно, под влиянием озоновой истерии, поскольку сама‐то работа ничего выдающегося с научной точки зрения не представляет.
Еще до признания заслуг этих ученых в 1989 году почти 200 стран-членов ООН подписали Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, и взяли на себя обязательство сначала сократить, а потом и вовсе отказаться от употребления фреонов, обвиненных в общемировом геноциде. И со временем производство этих веществ во многих странах было действительно свернуто. Например, в России аэрозольные баллончики с дезодорантами или краской теперь заполняют крайне пожароопасными бутаном и пропаном, а в холодильниках используют фторуглероды.