Фотодиссоциация

Состав воздуха в приземном слое

Состав атмосферы

Атмосфера представляет собой чрезвычайно сложную систему. Ее пронизывает излучение Солнца и испускаемые им частицы высокой энергии, а также космическое излучение. Этот поток энергии оказывает заметное химическое воздействие на атмосферу. Кроме того, под воздействием земного притяжения более тяжелые атомы и молекулы опускаются в нижнюю часть атмосферы, а в верхней ее части остаются более легкие. В результате состав атмосферы оказывается непостоянным.

Состав атмосферы в приземном слое, например, состав сухого воздуха вблизи уровня моря обладает следующими характеристиками: примерно 99% всего состава приходится на долю двухатомных газов азота и кислорода, а все остальное, за исключением углекислого газа, - на долю одноатомных газов (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Компонент	Содержание в мольных %	Молярная масса
Азот N2	78,04	28,013
Кислород O2	20,948	31,998
Аргон Ar	0,934	29,948
Диоксид углерода CO2	0,033	44,009
Неон Ne	0,001818	20,183
Гелий He	0,000524	4,003
Метан CH4	0,0002	16,043
Криптон Kr	0,000114	83,800
Водород H2	0,00005	2,0159
Оксид азота (1) N2O	0,00005	44,013
Ксенон Xe	0,0000087	131,300

Примечание. Озон O₃, диоксид серы SO₂, оксид азота NO₂, аммиак NH₃, оксид углерода СО присутствуют в качестве примесей, и их содержание может меняться.

Хотя на верхние зоны атмосферы приходится лишь небольшая часть ее массы, эти верхние слои в значительной мере определяют жизнь на поверхности Земли. Они защищают нашу планету от потока лучей и града частиц высоких энергий. В результате такого воздействия молекулы и атомы подвергаются химическим превращениям. Диффузное разделение (более тяжелые внизу, более легкие наверху) за длительный период привело к тому, что на высоте 500 - 1000 км элемент гелий становится основным компонентом атмосферы. Гелиевая корона Земли простирается примерно до 1600 км, а выше 2000 -3000 км преобладает водород.

Солнце испускает энергию с разной длиной волны. Коротковолновое излучение в ультрафиолетовой области спектра обладает высокой энергией, вызывающей химические реакции. При этом энергия фотона (Е = hn) должна быть достаточна для разрыва химической связи в молекуле и инициирования процесса. Кроме того, молекулы должны поглощать фотон, энергия которого должна превращаться в какую-либо иную форму. Первая реакция - фотодиссоциация кислорода:

О₂ (г) + hn ® 2 О (г). (1)

Максимальная энергия, которая необходима для такого превращения, равна 495 кДж/моль. Можно выполнить нетрудный расчет (см. ниже задачу) и определить, каковы должны быть n и l этого излучения. l равна 242 нм. Значит, любой фотон с длиной волны менее 242 нм имеет достаточную энергию для этой реакции (чем короче l, тем выше энергия).

Задача. Какая длина волны фотона соответствует молярной энергии диссоциации связи 495 кДж/моль?

Решение. Сначала вычислим энергию, необходимую для разрыва связи в одной молекуле.

Е` = = = 8,22·10^–19 .

Найдем частоту колебания, зная, что энергия фотона Е = hn; n = = = = 1,24·10¹⁵ с^-1.

Вспомним, что произведение частоты и длины волны электромагнитного излучения равно скорости света: n·l = с = 3,00·10⁸ м/с; l = = = = 242 нм.

К нашему счастью, молекулы О₂ поглощают большую часть коротковолнового излучения с высокой энергией, прежде чем оно достигнет нижней части атмосферы. При этом образуется атомарный кислород. На высотах около 400 км диссоциировано 99% молекул кислорода, на долю молекул О₂ приходится лишь 1%. На высоте 130 км содержание О₂ и О одинаково. На меньших высотах содержание молекулярного кислорода больше такового атомарного.

Энергия диссоциации молекулы N₂ очень велика, значит, разорвать молекулу могут только фотоны с чрезвычайно высокой энергией и очень малой l. Таких фотонов немного, да и молекула азота плохо поглощает фотоны, даже если их энергия окажется достаточной. Вследствие этого атомарного азота очень мало.

Фотодиссоциация воды. Концентрация паров воды значительна вблизи поверхности Земли, но быстро уменьшается с высотой. На высоте 30 км (стратосфера) составляет три молекулы на миллион молекул смеси. Однако, оказавшись в верхних слоях, вода подвергается фотодиссоциации:

Н₂О (г) + hn ® Н (г) + ОН (г); (2)

ОН (г) + hn ® Н (г) + О (г). (3)

Фотодиссоциация (уравнения 1-3) осуществляется через процесс ионизации. В 1924 году было установлено, что в верхних слоях атмосферы имеются свободные электроны, а по закону баланса зарядов должны быть и положительно заряженные ионы. Откуда же берутся эти ионы? В меньшей мере от воздействия электронов, прилетающих от Солнца вместе с солнечным ветром, а в большей мере - вследствие фотодиссоциации. При воздействии фотона молекула может поглотить его, не расщепляясь на атомы. При этом фотон выбивает из молекулы электрон самого верхнего уровня, и образуется молекулярный ион. Таким же образом может подвергнуться ионизации и нейтральный атом.

Фотоны, вызывающие ионизацию, относятся к высокочастотной коротковолновой области в пределах ультрафиолета. Это излучение не доходит до поверхности Земли, его поглощают верхние слои атмосферы (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Дата добавления: 2014-12-08