الوحدة الثانية: الغلاف الجوي — الدرس 2-2: التفاعلات الكيميائية في الغلاف الجوي (الأشعة فوق البنفسجية والأوزون)

• لا يقتصر الغلاف الجوي على كونه خليطًا ساكنًا من الغازات، بل هو وسط تجري فيه تفاعلات كيميائية متعددة طوال الوقت.
• من أهمها تكوّن الأوزون بتأثير الأشعة فوق البنفسجية، وأكسدة بعض الغازات في الهواء.
• وقد تؤثر هذه التفاعلات في جودة الهواء وفي المناخ وفي صحة الكائنات الحية.
• وسنركز في هذا الدرس على الأشعة فوق البنفسجية وما تفعله في الهواء، وعلى الأوزون: كيف يتكوّن، وكيف يتآكل، وما أثر ذلك فينا، وكيف نحميه.

• عرفنا في الوحدة الأولى أن الشمس تبعث طيفًا كهرومغناطيسيًا ينتشر في الفراغ على هيئة موجات، ولكل منطقة من الطيف مدى من الأطوال الموجية (λ) والترددات (ν).
• والأشعة فوق البنفسجية (UV) إحدى مناطق هذا الطيف، تقع بعد البنفسجي المرئي مباشرة، فطولها الموجي أقصر وطاقتها أكبر من الضوء المرئي.
• وتتصل الطاقة بالتردد والطول الموجي بالعلاقتين:

E = hν

c = λν

ومنهما نحصل على:

E = hc ÷ λ

أي أن الفوتون يحمل طاقة أكبر كلما قصر طول موجته.

تقسم الأشعة فوق البنفسجية بحسب طولها الموجي إلى ثلاثة أنواع:

المصدر الطبيعي الأهم هو الشمس. وهناك مصادر صناعية كالمصابيح الخاصة المصممة لإنتاج هذه الأشعة. ومن فوائدها:

• التعقيم: تقتل الأشعة فوق البنفسجية الجراثيم بإتلاف المادة الوراثية، فتُستخدم مصابيحها في تعقيم غرف العمليات الجراحية والمختبرات وأجهزة تنقية المياه لتجنب التلوث الميكروبي.
• كشف الأوراق النقدية المزيفة في المتاجر، لأن الأوراق الأصلية تحتوي على علامات تتوهج تحت هذه الأشعة.
• تكوين فيتامين د في الجلد بكميات معتدلة من التعرض لأشعة الشمس.

وهكذا ترى أن لها فوائد عند التحكم فيها، وأضرارًا جسيمة عند الإفراط في التعرض لها.

• احسب طاقة فوتون من أشعة UVB طولها الموجي \[\begin{gathered}300 \,\text{nm}.
• (h = 6.63 \times 10^{-34} J\cdot s\end{gathered}\]، \[\begin{gathered}c = \dfrac{3 \times 10^{8} m}{s}\end{gathered}\])

نحول الطول الموجي إلى متر: \[\begin{gathered}300 \,\text{nm} = 3.0 \times 10^{-7} m\end{gathered}\]

E = hc ÷ λ

\[\begin{gathered}E = (6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}) \div (3.0 \times 10^{-7})\end{gathered}\]

E = 6.63 × 10⁻¹⁹ J

وهي نحو 2.3 مرة قدر طاقة فوتون الضوء الأحمر (طوله الموجي 700 nm) لأن النسبة \[\begin{gathered}700 \div 300 \approx 2.3\end{gathered}\]، وهذه الطاقة كافية لإحداث تغيرات كيميائية في الجزيئات.

أوجد تردد أشعة UVC طولها الموجي 250 nm.

\[\begin{gathered}ν = c \div \lambda = (3 \times 10^{8}) \div (2.5 \times 10^{-7}) =\;\color{#15803d}{\mathbf{1.2 \times 10^{15} \,\text{Hz}}}\end{gathered}\]

• جزيء الأوزون (O₃) يتكون من ثلاث ذرات أكسجين مرتبطة معًا، وهو شكل آخر للأكسجين غير جزيء الأكسجين الثنائي (O₂) الذي نتنفسه.
• ويتكون الأوزون بتأثير الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس على جزيئات الأكسجين في الستراتوسفير، في خطوتين.

• يمتص جزيء الأكسجين فوتونًا من الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الأقل من 240 nm فتنكسر الرابطة التساهمية بين ذرتي الأكسجين، وتنتج ذرتان مفردتان نشيطتان.
• وتسمى هذه العملية التفكك الضوئي (Photodissociation) لأنها كسر للروابط الكيميائية بفعل امتصاص الضوء:

O₂ + فوتون (UV) → O + O

ترتبط ذرة الأكسجين المفردة النشطة بجزيء أكسجين آخر فتكوّن جزيء الأوزون، وتتصاعد طاقة تُمتص عادة بوساطة جسيم ثالث من الهواء (جزيء N₂ أو O₂):

O + O₂ → O₃

وجمع الخطوتين يبين أن ثلاثة جزيئات أكسجين تعطي جزيئين من الأوزون:

3O₂ → 2O₃

وهذه المعادلة موزونة: 6 ذرات أكسجين على كل جانب.

• تمتص جزيئات الأكسجين (O₂) والنيتروجين (N₂) في الطبقات العليا من الغلاف الجوي الفوتونات التي يقل طولها الموجي عن 240 nm.
• أما الأوزون المتكون فيمتص الفوتونات في المنطقة فوق البنفسجية التي يتراوح طول موجتها بين 240 nm و310 nm، وفي أثناء ذلك يتفكك الأوزون ثم يتكوّن ثانية:

O₃ + فوتون (UV) → O₂ + O

O + O₂ → O₃

• فيتحول جزء من طاقة الأشعة الضارة إلى حرارة تدفئ الستراتوسفير، ويبقى الأوزون متجددًا في حالة اتزان بين التكوّن والتفكك.
• وبهذا يحمينا الأوزون في الستراتوسفير من الفوتونات عالية الطاقة.

طاقة الرابطة O=O في جزيء الأكسجين نحو \(498 \,\text{kJ}/\,\text{mol}\). أوجد أكبر طول موجي يكفي لكسرها.

طاقة الرابطة للجزيء الواحد = \[\begin{gathered}498 000 \div (6.02 \times 10^{23}) = 8.27 \times 10^{-19} J\end{gathered}\]

\[\begin{gathered}\lambda = \,\text{hc} \div E = (6.63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}) \div (8.27 \times 10^{-19}) = 2.40 \times 10^{-7} m =\;\color{#15803d}{\mathbf{240 \,\text{nm}}}\end{gathered}\]

وبالتالي لا يكسر الرابطة إلا فوتون طوله الموجي 240 nm أو أقل، وهو ما يتفق مع ما ذكره الكتاب.

أي أشعة من الآتية تسبب تفككًا ضوئيًا لجزيء O₂: 230 nm، 250 nm، 290 nm، 305 nm؟

• الشرط أن يكون الطول الموجي أقل من 240 nm، فالإجابة 230 nm فقط.
• أما 250 و290 و305 nm فتصلح لامتصاص الأوزون (240–310 nm) لكنها لا تفكك الأكسجين.

تآكل طبقة الأوزون

• هو التناقص التدريجي لتركيز الأوزون في الطبقة الواقية بالغلاف الجوي.
• ويحدث أساسًا بسبب انطلاق مركبات كيميائية تحتوي على الكلور والبروم مثل مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs) الناتجة عن الأنشطة الصناعية.

• مركبات CFC مستقرة جدًا في التروبوسفير فتصعد ببطء إلى الستراتوسفير دون أن تتحلل.
• وهناك تحطمها الأشعة فوق البنفسجية فتطلق ذرات كلور حرة، مثال ذلك:

CCl₂F₂ + UV → CClF₂ + Cl

ثم تعمل ذرة الكلور عاملًا مساعدًا في تفاعلات متتالية:

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + O → Cl + O₂

أي أن الكلور يعود في نهاية الدورة كما كان، ومحصلة التفاعل:

O₃ + O → 2O₂

• وبذلك تبقى ذرة الكلور الواحدة قادرة على تدمير آلاف الأوزون قبل أن تُزال.
• وقد أدى ذلك إلى ظهور ثقب الأوزون فوق القارة القطبية الجنوبية، وهو منطقة ينخفض فيها تركيز الأوزون انخفاضًا كبيرًا في فصل الربيع القطبي.

إذا كانت كل ذرة كلور قادرة على تدمير 10⁵ جزيء أوزون، فكم جزيئًا تدمر 2 × 10⁶ ذرة كلور؟

العدد = \[\begin{gathered}2 \times 10^{6} \times 10^{5} =\;\color{#15803d}{\mathbf{2 \times 10^{11}}}\end{gathered}\] جزيء أوزون.

نتيجة لتآكل الطبقة قد تصل كمية أكبر من الأشعة فوق البنفسجية الضارة إلى سطح الأرض، ومن تأثيراتها على صحة الإنسان:

1. على الجلد: تؤدي زيادة التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى تلف الحمض النووي (DNA) في خلايا الجلد، وقد تحدث طفرات جينية تؤدي إلى الإصابة بسرطانات الجلد مثل الميلانوما. ويحاول الجسم إصلاح الضرر بتنشيط إنزيمات خاصة لإصلاح DNA، لكن التعرض المتكرر قد يفوق قدرة الخلايا على الإصلاح.
2. على الجهاز المناعي: تؤثر الأشعة على بعض الخلايا المناعية مثل الخلايا التائية المساعدة فتضعف الاستجابة المناعية ويصير الجسم أكثر عرضة للأمراض والعدوى.
3. على العين: يؤدي امتصاص عدسة العين للأشعة فوق البنفسجية إلى تسريع حدوث إعتام عدسة العين (المياه البيضاء) فتقل نفاذيتها للضوء.

وتمتد الأضرار إلى البيئة: فهي تضعف نمو النباتات، وتتلف العوالق النباتية في المحيطات التي هي قاعدة السلاسل الغذائية المائية، وتؤثر في البرمائيات وغيرها.

• بالرغم من التحدي الذي يمثله تآكل الأوزون، أظهرت الجهود الدولية نجاحًا ملحوظًا في مواجهته.
• ويُعدّ بروتوكول مونتريال مثالًا بارزًا لهذه الجهود، إذ حُظر بموجبه إنتاج واستخدام كثير من المواد الكيميائية المستنفدة للأوزون.
• وبفضل هذا التعاون العالمي بدأت طبقة الأوزون تتعافى تدريجيًا، مما يؤكد قدرة البشرية على معالجة المشكلات البيئية الكبرى حين تتعاون.

تآكل الأوزون مشكلة بيئية كبيرة، واتباع إجراءات بسيطة يمكن أن يسهم في حلها. وتستهدف هذه الإجراءات تقليل انبعاث المواد الضارة:

1. اختيار المنتجات الصديقة للأوزون: كثير من منتجات التنظيف التقليدية يحتوي على مركبات الكلور والبروم التي تضر بالأوزون عند انبعاثها. والأفضل اختيار منتجات تحمل علامات «صديقة للبيئة» أو استخدام بدائل طبيعية كالخل وصودا الخبز.
2. تجنب المواد المستنفدة للأوزون:
   • أجهزة التبريد: تجنب الثلاجات ومكيفات الهواء التي تستخدم CFCs في نظام التبريد، واختيار الأجهزة الحديثة ذات المبردات البديلة الأقل ضررًا مثل R410A.
   • طفايات الحريق: تجنب الطفايات التي تحتوي غاز الهالون لأنه يحتوي على البروم وهو من أقوى المواد المستنفدة للأوزون، واستبدالها بطفايات خالية منه.
3. الصيانة الصحيحة وإعادة التدوير: عدم تفريغ مبردات الأجهزة القديمة في الهواء بل تسليمها لمراكز متخصصة.
4. التوعية والتشريع: نشر الوعي ودعم القوانين التي تحظر الإنتاج والاستيراد للمواد الضارة.

• الأوزون في الستراتوسفير مفيد، أما الأوزون المتكوّن قرب سطح الأرض فهو ملوث.
• ويتكون في التروبوسفير نتيجة تفاعل أكاسيد النيتروجين مع الهيدروكربونات (من عوادم السيارات والمصانع) بوجود ضوء الشمس:

NO₂ + ضوء → NO + O

O + O₂ → O₃

• ويتجمع هذا الأوزون مع ملوثات أخرى في الهواء كثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد النيتروجين والجسيمات الدقيقة مكوّنًا الضباب الدخاني (Smog).
• ومن أضراره:

1. احتراق أوراق النباتات مما يقلل قدرتها على البناء الضوئي.
2. تلف النباتات والمحاصيل وتأثر كميتها وجودتها.
3. تلف المواد مثل البلاستيك والمطاط.
4. أضرار صحية: تهيج الجهاز التنفسي والتهاب الشعب الهوائية وتفاقم الربو وأمراض القلب.

وهكذا فالمركب نفسه (O₃) يحمي في الأعلى ويؤذي في الأسفل، والفرق في موقعه.

• يقاس تركيز الأوزون بوحدة دوبسون (DU): 100 وحدة دوبسون تكافئ طبقة من الأوزون النقي سمكها 1 mm عند الضغط الجوي المعتاد ودرجة 0°C لو ضُغط كل أوزون العمود في طبقة واحدة.
• والمتوسط العالمي نحو 300 DU، أي طبقة سمكها 3 mm فقط!
• ويُسمى انخفاض التركيز عن 220 DU ثقبًا.

النسبة = \[\begin{gathered}(300 - 120) \div 300 \times 100 =\;\color{#15803d}{\mathbf{60\%}}\end{gathered}\]

• تجنب التعرض المباشر للشمس وقت الذروة (من الحادية عشرة صباحًا إلى الثالثة عصرًا تقريبًا).
• ارتداء ملابس واقية وقبعة ونظارات شمسية تحجب UV.
• استخدام واقٍ شمسي مناسب وتجديده بانتظام.
• ترطيب الجلد وفحصه دوريًا والكشف المبكر عن أي تغير في الشامات.

• توضع شرائط ورقية حساسة لـ UV (ورق يتغير لونه) تحت الشمس في أماكن مختلفة: في الظل، وخلف زجاج النافذة، وتحت قبعة، وفي الشمس المباشرة.
• يظهر أن الزجاج العادي والظل يخفضان التعرض، مما يوضح أهمية الحماية.

• تتكون في الستراتوسفير كمية من الأوزون وتتفكك كمية مماثلة بالامتصاص.
• إذا كان معدل تكونه 5 وحدات في الثانية لكل وحدة حجم ومعدل تفككه 4 وحدات، فماذا يحدث لتركيزه؟
• وماذا يحدث لو أضاف الكلور معدلًا إضافيًا للتفكك مقداره 3 وحدات؟

• الحالة الأولى: التراكم = 5 − 4 = +1 أي أن التركيز يزداد حتى يتساوى المعدلان عند التركيز الذي يعطي توازنًا.
• الحالة الثانية: التراكم = \[\begin{gathered}5 - (4 + 3) =\;\color{#15803d}{\mathbf{-2}}\end{gathered}\] أي أن التركيز يتناقص باستمرار ما دامت المواد المستنفدة موجودة.

ويبين ذلك لماذا تمثل المركبات المستنفدة، حتى بتركيزات ضئيلة، تهديدًا حقيقيًا لطبقة الأوزون: إنها تخل بالتوازن الدقيق بين التكوين والتفكك.

• يتناسب زمن الاحمرار الجلدي عكسيًا مع شدة UV.
• إذا كانت البشرة تحمرّ بعد 60 دقيقة عند مؤشر UV يساوي 4، فبعد كم دقيقة تحمرّ عند مؤشر 8 ثم 12 (بفرض التناسب العكسي)؟

• عند 8: الزمن = \[\begin{gathered}60 \times 4 \div 8 =\;\color{#15803d}{\mathbf{30}}\end{gathered}\]دقيقة.
• عند 12: الزمن = \[\begin{gathered}60 \times 4 \div 12 =\;\color{#15803d}{\mathbf{20}}\end{gathered}\]دقيقة.

وهذا تقدير مبسط لتعريف أهمية الواقيات، فالتعرض الفعلي يتوقف على نوع البشرة والارتفاع والغيوم.

• يحتوي الهواء على جذور حرة نشطة جدًا، أهمها جذر الهيدروكسيل (OH)، وهو ينشأ من تفاعل ذرة أكسجين مثارة مع بخار الماء.
• ويعمل هذا الجذر «منظفًا» للهواء لأنه يؤكسد كثيرًا من الملوثات ويحولها إلى مواد تذوب في ماء المطر أو تترسب.
• من أمثلة ذلك:

أول أكسيد الكربون: CO + OH → CO₂ + H

ثاني أكسيد الكبريت: SO₂ + OH → HOSO₂، ثم يتحول في النهاية إلى حمض الكبريتيك H₂SO₄ في قطرات الماء

أكسيد النيتروجين: NO₂ + OH → HNO₃ (حمض النيتريك)

الميثان: CH₄ + OH → CH₃ + H₂O

• وهذه التفاعلات تفسر كيف يتخلص الهواء من بعض الملوثات، لكنها تفسر أيضًا ظاهرة الأمطار الحمضية التي ندرسها في الدرس 2-4، لأن النواتج حمضية.
• وينبغي أن تلاحظ أن الإشعاع الشمسي هو الطاقة التي تبدأ كثيرًا من هذه التفاعلات، وأن البرق قد يبدأ بعضها الآخر.

وازن المعادلة: O₃ + NO → NO₂ + O₂ وبيّن أثرها.

عدد ذرات الأكسجين في الطرف الأيسر: 3 + 1 = 4، وفي الأيمن: 2 + 2 = 4، وعدد ذرات النيتروجين 1 في كل طرف. المعادلة موزونة كما هي.

الأثر: كل جزيء NO يزيل جزيء أوزون، ولذلك عندما كانت الطائرات الأسرع من الصوت تطلق NO في الستراتوسفير نوقش أثرها على الأوزون.

• ما الخطوة الأولى في تكوين الأوزون؟ هي امتصاص جزيء الأكسجين O₂ فوتونًا من الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي أقل من 240 nm، فتنقسم الرابطة. فالإجابة الصحيحة هي رسم يوضح جزيء O₂ مع UV دون 240 nm (أي نحو 200 nm)، وليس جزيء CO₂ ولا طولًا موجيًا كبيرًا.
• الأطوال الموجية التي يستطيع الأوزون امتصاصها: 240–310 nm، فمن الاختيارات (200 و250 و350 و400 nm) الصحيح هو 250 nm.
• نوع التفاعل O₂ + فوتون → O + O: تفكك ضوئي.
• ناتج انفصال الرابطة في O₂ بالتفكك الضوئي: ذرتا أكسجين مفردتان (O) متعادلتان.
• الطول الموجي الذي يفكك رابطة O₂: 230 nm لأنه أقل من 240 nm.
• ما الذي يتحد لتكوين الأوزون؟ ذرة أكسجين مفردة وجزيء أكسجين (O + O₂).
• الضباب الدخاني ينشأ من كل التفاعلات الآتية عدا: تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين؛ فالتفاعل المطلوب هو تفاعل أكاسيد النيتروجين مع الهيدروكربونات في ضوء الشمس.
• أضرار نقص الأوزون على الإنسان: المياه البيضاء على العين وسرطان الجلد وضعف المناعة.

• لماذا تتعافى طبقة الأوزون ببطء رغم حظر CFCs؟ لأن هذه المركبات مستقرة وتبقى في الجو عشرات السنين، ولأن الكلور يعمل عاملًا مساعدًا يتكرر.
• لو انعدم الأوزون تمامًا كيف تتغير الحياة على اليابسة؟ تتعرض الكائنات لـ UVB وUVC بكثرة فتتلف الخلايا وتتراجع النباتات وتقل الأسماك، وتصبح الأراضي المفتوحة أقل صلاحية للحياة.
• لماذا استُخدمت مركبات CFCs بكثرة قبل اكتشاف ضررها؟ لأن المركبات الكلورية كانت رخيصة وغير سامة مباشرة ولا تشتعل، فاستخدمت بكثرة قبل معرفة خطرها البيئي.
• ما الفرق بين الخطر الذي يسببه CO₂ والخطر الذي تسببه CFCs؟ الأول يزيد الاحتباس الحراري، والثاني يستنزف الأوزون، وبعض CFCs أيضًا غازات دفيئة قوية.

• في ليل الشتاء القطبي تتشكل دوامة هوائية باردة جدًا فوق القارة القطبية الجنوبية تعزل الهواء داخلها، وتتكون سحب ستراتوسفيرية قطبية على أسطح بلوراتها تتحول مركبات الكلور الخاملة إلى صور نشطة.
• وعند عودة الشمس في الربيع (شهري سبتمبر وأكتوبر) تنطلق ذرات الكلور بسرعة وتبدأ سلاسل التفاعل فينخفض الأوزون انخفاضًا شديدًا.
• ومع انتهاء الربيع ودفء الجو تتفكك الدوامة ويختلط الهواء فيتعافى جزء من التركيز.
• أي أن الثقب ظاهرة موسمية تتكرر كل عام وتتحجم تدريجيًا بعد تطبيق بروتوكول مونتريال.

• الفرق = 28 − 24 = 4 مليون km² خلال 10 سنوات، فالمعدل = 0.4 مليون km² في السنة.
• النسبة = \[\begin{gathered}4 \div 28 \times 100 =\;\color{#15803d}{\mathbf{14.3\%}}\end{gathered}\].

كم مولًا من الأوزون يتكون من 96 g من الأكسجين الجزيئي بحسب المعادلة 3O₂ → 2O₃؟ (O = 16)

الكتلة المولية لـ \[\begin{gathered}O_{2} = 32 g/\,\text{mol}\end{gathered}\]، فعدد المولات = \[\begin{gathered}96 \div 32 = 3 \,\text{mol}.\end{gathered}\]كل 3 mol O₂ تعطي 2 mol O₃، إذن الناتج = 2 mol كتلتها 2 × 48 = 96 g.

• لاحظ تساوي الكتلة قبل التفاعل وبعده (96 g)، تأكيدًا لقانون حفظ الكتلة، وأن عدد الجزيئات يقل بينما تبقى عدد الذرات ثابتًا.
• ويفيد هذا الحساب في تقدير كمية الأوزون المتكونة في الستراتوسفير عند معرفة كمية الأكسجين التي تفككت بالأشعة.

• القول بأن الأوزون ضار دائمًا؛ أوزون الستراتوسفير حامٍ وأوزون التروبوسفير ملوث.
• الخلط بين ثقب الأوزون والاحتباس الحراري؛ الأول يتعلق بالأشعة فوق البنفسجية والثاني بحبس الحرارة.
• الاعتقاد بأن التفكك الضوئي لـ O₂ يحتاج إلى أي موجة؛ يلزم طول أقل من 240 nm.
• القول بأن تفكك O₂ ينتج أيونات؛ بل ينتج ذرتين مفردتين متعادلتين.
• نسيان أن الكلور يعود في الدورة (عامل مساعد) فيكرر التدمير.

1. ما أنواع الأشعة فوق البنفسجية، وما فوائدها وأضرارها؟
2. صف خطوتي تكوّن الأوزون مع المعادلات.
3. لماذا لا تفكك الأشعة ذات الطول 300 nm جزيء الأكسجين؟
4. ما المقصود باستنزاف الأوزون؟ وما أسبابه؟
5. اذكر ثلاثة آثار لتآكل الأوزون على صحة الإنسان.
6. كيف يضر أوزون التروبوسفير بالنباتات؟
7. وضّح ثلاث استراتيجيات للحد من تآكل الأوزون.