Alsó légkör

Haladó

Oxidáció a légkörben

Számos kémiai vegyület jut a légkörbe, és felhalmozódna, ha ismételten nem kerülne onnan ki. A kiülepedés történhet száraz ülepedéssel, vagy esõ révén (nedves ülepedés). Különösen a gáznemû szerves vegyületek kerülnek ki a légkörbõl könnyen, ha átalakulnak kevésbé illékony, vízoldható oxidált állapotba…

Az oxidáció kémiai értelemben nem szükségszerûen jelent egy oxigént tartalmazó molekulával való reakciót. De a levegõ a legtöbb esetben oxigént is tartalmaz. Három fõ oxidáns van, ami az ilyen jellegû folyamatokat irányítja a légkörben:

A hidroxil gyök OH
a nitrát gyök NO₃
az ózon molekula O₃
A HO₂ gyökök is fontosak, és gyakran az OH-t és a HO₂-t együttesen HO_x-nek is nevezik. A legfontosabb oxidáns azonban a hidroxil gyök, az OH. Nagyon aktív és képes oxidálni a troposzférában képzõdött legtöbb vegyi anyagot.
Ezért az OH-t gyakran nevezik a 'légkör mosószerének'.

Csak néhány összetevõ, mint a halogénezett szénhidrogének, CFC-k (például a CF₂Cl₂), dinitrogén–oxid, N₂O vagy a széndioxid, CO₂, az, amelyek olyan stabilak, hogy nem lépnek reakcióba, vagy csak nagyon lassan az OH-val. A metán, CH₄, reakciójának sebessége körülbelül 100-1000-szer lassúbb, mint más szerves vegyületeké. Ez a magyarázata annak, hogy a metán koncentrációja miért lehet olyan magas a légkörben (körülbelül 1.7 ppm = 1.7 µmol/mol), amíg más szerves nyomgáz koncentrációja alacsonyabb, mint 1 ppb (= 1nmol/mol)*.

Hogyan képzõdik az OH?

Az OH irányítja a légköri kémiát a nap folyamán, mert képzõdése elsõsorban a Napból érkezõ sugárzástól függ. A kezdõ reakció (fent) a napfény hatására történõ ózonbomlás (fotolízis), ami 310 nm-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás hatására játszódik le, majd ezt követi a kialakult oxigén atom reakciója a vízzel. Ezért egy bizonyos mennyiségû troposzférikus ózon alapvetõ a troposzféra kémiájához, habár a túl sok nem egészséges.
Az OH más forrásai a salétromossav, hidrogén peroxid H₂O₂ és a peroxi- metán CH₃OOH fotolízisei, a NO reakciója a hidroperoxi gyökkel HO₂ vagy az alkének reakciója az ózonnal. A baloldalon lévõ vázlat azt mutatja, hogy az OH-t milyen módon fonódik egybe a nitrogén-oxidok nappali körfolyamatával.

Mennyi OH képzõdik?

Mivel az OH rendkívül reagens gyök, kialakulása után azon nyomban reakcióba lép. Élettartama körülbelül egy másodperc vagy még kevesebb. Ez azt jelenti, hogy a koncentrációja nagyon alacsony, 1x105 és 2x107 molekula cm-3 között. Tengerszinti nyomáson ez 0.01 - 1 ppt (pmol/mol) keverési arányt jelent.
Mivel a képzõdés függ a vízgõz mennyiségétõl, az OH mennyisége csökken a magassággal (hidegebb és szárazabb a levegõ). 

De különösen a szélességgel csökken, mert nem csak a nedvességtartalom csökken, hanem a sarkok felé a napfénytartam és intetnzitás is.

Hogyan lép az OH reakcióba?

A jobboldalon lévõ kép egy érdekes hatást mutat trópusi esõerdõk fölött. Az OH koncentráció csökken a talaj közelében. Mi ennek az oka? Az erdõk sok szerves vegyületet, mindenek elõtt izoprént bocsátanak ki, és az reakcióba lép az OH-val. Ezért van az erõs OH koncentráció-csökkentõ folyamat a talajhoz közel. A kémiai reakciók használják fel. Az OH-nak nagy affinitása van a szerves vegyületekbõl, RH, elvonja a hidrogént amikor csak lehetséges, és vizet H₂O hoz létre. A következõ lépésben az R gyök reakcióba lép az oxigénnel, O₂, és szerves peroxidot hoz létre, ami például alapvetõ az ózonképzõdés körfolyamatában.

Azonban, az OH világszerte elsõsorban nem az erdõkbõl származó szerves vegyületekkel lép reakcióba. A szerves gázok 30%-kal, a metán (a legfontosabb és a legkisebb szerves molekula) további 15%-kal járul hozzá az OH eltávolításhoz. A gáz, ami leginkább reakcióba lép az OH-val a szénmonoxid (40%) és a fennmaradó 15%-ban az ózonnal, O₃, hidroperoxil gyökkel, HO₂ és hidrogénnel, H₂, lép reakcióba.

Az OH igyekszik kialakítani kétszeres kötést kölcsönhatásában a kicsi alkénekkel, a szerves vegyületek speciális osztályával, addig, míg a telített maradék nem sokkal nagyobb és a H elvonás statisztikailag megfelelõ. Itt peroxid képzõdés is elõfordul.Az OH képes oxidálni a szénmonoxidot, CO, széndioxiddá CO₂. Amint láttuk a CO és a metán, CH₄, a fõ OH nyelõk. Más reagens szerves vegyületek csak nyomokban, néhány ppt mennyiségben fordulnak elõ, amíg a CO átlagos szintje eléri a 120 ppb-t az északi féltekén (több égési folyamat) és a 60 ppb-t a déli féltekén.

Habár az OH a legfontosabb oxidáns a légkörben, az éjszakai koncentrációja közel van a nullához, mert a napfény szükséges a képzõdéséhez. Ezért a sötétben és az éjszaka a nitrátok, NO₃, és az ózon O₃, kémiája sokkal fontosabbá válik.

* A keverési arányt ppb-t és ppm-t (= 1 molekula 1 milliárd közül vagy 1 molekula 1 millió közül) gyakran használják tudományos publikációkban, illetve más légköri és éghajlati irodalomban is. Mi is használtuk az Éghajlati Enciklopédiában. Azonban, sokkal helyesebb az 1 nmol/mol (= 1 ppb) vagy 1 µmol/mol (= 1 ppm). Ugyanis a molekulák mennyiségének, n-nek a mértékegysége a mol.

Az oldalról:

szerzõ: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
tudományos lektor: Dr. Mark Lawrence - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz 2004-05-05
pedagógiai lektor: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
utolsó módosítás: 2004-05-07