Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир - Джей Берресон

Озон — это соединение, состоящее из атомов кислорода. Единственное различие между молекулами озона и кислорода заключается в количестве составляющих их атомов: формула кислорода — O2, а озона — O3, но свойства этих молекул совсем разные. Сильная солнечная радиация над озоновым слоем расщепляет молекулы кислорода на отдельные атомы.

Атомы кислорода погружаются в озоновый слой, и каждый взаимодействует с молекулой кислорода с образованием молекулы озона.

Внутри озонового слоя молекулы озона распадаются под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения на молекулы кислорода и атомы кислорода.

После этого два атома кислорода соединяются, образуя молекулу кислорода.

Таким образом, в озоновом слое происходит постоянное образование и расщепление молекул озона. На протяжении тысячелетий этот процесс приходил к равновесию, так что концентрация озона в атмосфере Земли оставалась практически постоянной. Это имеет важные последствия для жизни на Земле: озон поглощает солнечную энергию в определенной части спектра, которая особенно опасна для всего живого. Кто-то сказал, что мы живем под “зонтиком”, защищающим всех нас от смертельно опасной солнечной радиации.

Исследования Роуленда и Молины показывали, что атомы хлора ускоряют распад молекул озона. Сначала атомы хлора сталкиваются с молекулами озона, в результате чего образуются монооксид хлора ClO и молекулярный кислород.

Монооксид хлора взаимодействует с атомом кислорода с образованием молекулы кислорода и регенерацией атома хлора.

Роуленд и Молина предположили, что эти реакции могут нарушать равновесие между озоном и кислородом, поскольку они ускоряют распад озона, но не влияют на его образование. Атом хлора, который используется на первой стадии процесса и регенерирует на последней стадии, выступает в роли катализатора, то есть ускоряет процесс, но сам не расходуется. Это и пугает сильнее всего: проблема не только в том, что атомы хлора разрушают озон, но и в том, что они делают это снова и снова. По некоторым оценкам один атом хлора, проникший в верхние слои атмосферы в составе ХФУ, может расщепить более ста тысяч молекул озона, прежде чем потеряет активность. А сокращение озонового слоя всего на ι % способствует повышению уровня пагубной солнечной радиации у поверхности Земли на 2 %.

На основании своих расчетов Роуленд и Молина предсказали, что атомы хлора из ХФУ и родственных соединений начинают разрушать озоновый слой. В то время, когда ученые проводили свои эксперименты, ежедневно в атмосферу попадали миллиарды молекул ХФУ. Новость о том, что ХФУ представляют реальную угрозу озоновому слою и, следовательно, здоровью и безопасности всех живых организмов, вызвала определенную реакцию ученых и общественности, однако потребовалось еще несколько лет и многочисленные исследования, прежде чем ХФУ были запрещены — сначала частично, а затем и полностью.

На принятие решения о запрещении использования ХФУ повлиял результат, полученный из совершенно неожиданного источника. В 1985 году в Антарктике были проведены исследования, которые продемонстрировали постепенное исчезновение озонового слоя над Южным полюсом. Никто не ожидал, что самая большая “дыра” в озоновом слое может появиться среди зимы над практически необитаемым континентом, где никто не пользуется ни холодильниками, ни лаком для волос. Это открытие означало, что попадание ХФУ в окружающую среду — действительно глобальная проблема. В 1987 году исследовательский самолет, курсировавший в районе Южного полюса, обнаружил в зоне разрежения озонового слоя молекулы монооксида хлора. Это было экспериментальным подтверждением предсказаний Роуленда и Молины (которые через восемь лет после этого, в 1995 году, получили Нобелевскую премию по химии за предсказание долгосрочного воздействия ХФУ на состояние стратосферы и окружающей среды).

В 1989 году вступил в силу Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Этот договор обязал все подписавшие его страны сначала постепенно, а потом и полностью отказаться от использования ХФУ. На сегодняшний день в холодильных установках вместо хлорфторуглеродов используются гидрофторуглероды и гидрохлорфторуглероды. Эти вещества не содержат хлора либо легче расщепляются в атмосфере и значительно реже, чем более стабильные хлорфторуглероды, достигают стратосферы. Однако эти вещества не такие эффективные хладагенты, и теперь для осуществления холодильного цикла требуется примерно на 3 % больше энергии.

До сих пор в атмосфере остаются миллиарды молекул ХФУ. Не все страны подписали Монреальский протокол, но даже в тех странах, которые это сделали, в эксплуатации находятся миллионы холодильников с ХФУ, а еще сотни тысяч уже не используются, но продолжают выпускать в атмосферу молекулы ХФУ, которые медленно, но неумолимо уничтожают озоновый слой. Воздействие этих когда-то столь популярных веществ может сказаться через несколько столетий. Увеличение интенсивности высокоэнергетической составляющей солнечной радиации приводит к повреждению клеток живых организмов и их ДНК, что, в свою очередь, способствует возникновению вредных мутаций, а также рака.

Хлорфторуглероды — не единственная группа молекул, которые сначала казались чрезвычайно полезными, но через какое-то время продемонстрировали свою токсичность и потенциальную опасность для здоровья людей и состояния окружающей среды. Интересно, однако, что “темную сторону” среди всех органических соединений чаще всего показывают соединения хлора. Эта двуликость свойственна даже элементарному хлору. Миллионы людей во всем мире нуждаются в хлоре для очистки источников воды. Для этой цели пригодны и другие вещества, но они гораздо дороже.

В прошлом столетии был сделан очень важный шаг в сторону обеспечения всего мирового населения чистой питьевой водой, хотя проблема чистой воды все еще не решена полностью. Без использования хлора нам бы не удалось сильно продвинуться в этом направлении. Однако хлор ядовит, что ясно видно, например, из исследований немецкого химика Фрица Габера, синтезировавшего аммиак из атмосферного азота и изучавшего действие отравляющих газов (мы говорили об этом в главе 5). Первым отравляющим веществом, которое использовалось в качестве оружия массового поражения во время Первой мировой войны, был зеленовато-желтый газ хлор. Первые симптомы при отравлении хлором — затруднение дыхания и удушье. Хлор оказывает сильное раздражающее действие на клетки и может вызвать смертельно опасный отек легких и бронхов. После хлора в качестве отравляющих веществ были применены горчичный газ (иприт) и фосген, молекулы которых также содержат хлор и оказывают не менее ужасное действие на организм, чем сам хлор. Хотя уровень смертности при отравлении горчичным газом не очень высок, вдыхание этого вещества приводит к тяжелому и длительному нарушению зрения и дыхания.