Ozon, een bijzonder zuurstof

De atmosfeer
Troposfeer
Stratosfeer
Mesosfeer
Thermosfeer
Exosfeer
Functies

De chemie in de stratosfeer

Metingen aan ozon

Oorzaken en gevolgen

Ozongat

Maatregelen

Toepassingen

Conclusie

Bronvermelding
Opmerkingen

De atmosfeer bestaat voor 99,9% uit de moleculen stikstof, zuurstof en de chemisch inerte edelgassen (voornamelijk argon). Deze zijn er al vanaf het begin van de aarde. De overige 0,1% is deels in de loop van de miljoenen jaren ontstaan. Het onderzoek naar deze stoffen wordt door de kleine concentraties bemoeilijkt. Vaak zijn ze erg actief, zodat een reactie niet goed waar te nemen is. Van de chemische reactieve stoffen komt methaan het meest voor, op zeeniveau een concentratie van 1,7 ppmv (aantal cm3 per m3). De hoeveelheid reactieve stoffen komt bijna nooit boven de 10 ppmv uit. De stoffen die problemen veroorzaken zoals het broeikaseffect en zure regen, zijn slechts 0,001% van alle stoffen in de atmosfeer. Deze stoffen die kleine concentraties hebben in de lucht noemt men sporengassen. Deze zijn echter vaak zeer belangrijk voor het leven op aarde.

Terug naar ozon. Ozon wordt vooral in de stratosfeer gevormd uit zuurstofmoleculen onder invloed van UV-straling. Dit is de natuurlijke reactie. Zuurstof wordt eerst gesplitst in zuurstofradicalen. Deze sterk reactieve atomen gaan direct een binding aan met andere zuurstofmoleculen. Ozon is zo snel gemaakt. In een reactievergelijking ziet dit er als volgt uit:

O₂ (g) --> 2O· (g)

O· (g) + O₂ (g) --> O₃ (g)

De zuurstofconcentratie neemt nauwelijks af. Er moest dus een teruggaande reactie plaatsvinden. Een wetenschapper die dit onderzocht was Sidney Chapman. Hij zei dat er twee reacties verantwoordelijk waren voor de vorming van zuurstof uit ozon:

O₃ (g) --> O· (g) + O₂ (g)

O· (g) + O₃ (g) --> 2O₂ (g)

Veertig jaar lang werd gedacht dat dit de enige reacties waren met ozon. De laatste twintig jaar is duidelijk geworden dat sporengassen is belangrijke rollen spelen in de reacties. Hieronder volgt de algemene reactievergelijking bij de vorming van zuurstof uit ozon:

X (g) + O₃ (g) --> XO· (g) + O₂ (g)

O₃ (g) --> O (g) + O₂ (g)

O· (g) + XO· (g) --> X· (g) + O₂ (g)

X is hierbij een katalysator en wordt dus niet verbruikt. Een gedeelte van de zuurstofradicalen neemt extra stralingsenergie op en raakt daardoor in een aangeslagen toestand. We geven dit aan met O*. Dit molecuul kan een watermolecuul splitsen in twee hydroxyl-radicalen:

H₂O (g) + O* (g) --> 2HO (g)

Deze radicalen worden gebruikt als katalysator bij de vorming van zuurstof. Ze kunnen dus ingevuld worden op de plekken waar de X staan in de vorige reacties. Hoewel er weinig water in de stratosfeer is, beïnvloedt het wel de hoeveelheid ozon.

NO kan in de reactievergelijking worden ingevoerd op de plaats van X. Ook NOx (de stikstofoxiden) is in de troposfeer een katalysator bij de vorming van ozon:

CH₄ (g) + 4O₂ (g) + 2NO (g) -->HCHO (g) + H₂O (g) + 2O₃ (g) + 2NO (g)

CO (g) + 2O₂ + NO (g) --> CO₂ (g) + O₃ (g) + NO (g)

In de tropopauze bevindt zich aanzienlijke concentraties stikstofoxiden en koolwaterstoffen, waardoor NO₂ een actieve rol speelt:

NO₂ (g) + O₂ (g) --> NO (g) + O₃ (g)

O₂ (g) + O· (g) --> O₃ (g)

Deze stoffen komen uiteraard in de lucht door menselijk toedoen. Verbranding van allerlei organische stoffen veroorzaakt, naast koolstofdioxide, ook stikstofoxiden en zwaveloxide. Dit gebeurt al snel bij een verbranding met een hoge temperatuur, zoals bij dieselmotoren.

Ook chloorradicalen spelen een rol als katalysator. Deze komen vrij door de verbranding van raketbrandstof als NH₄ClO₄. Deze vormt zoutzuur. CH₃Cl (een natuurlijk bijproduct van de fotosynthese van algen) bleek ook een rol te spelen bij de afbraak van ozon.

De stof die zoveel bekendheid kreeg, CFK, werkt ook gewoon als een katalysator, maar moet net als de meeste stoffen ontleed worden. Daarom staan hieronder voor de duidelijkheid de volledige reactievergelijkingen met CFK en ozon.

CFCl₃ (g) --> CFCl₂ (g) + Cl· (g)

Cl· (g) + O₃ (g) --> O₂ (g) + CIO (g)