الموسوعة العربية

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الأوزون

اوزون

Ozone - Ozone

عصام قلق

الأوزون ozone متآصل (شكل مغاير) allotrope لعنصر الأكسجين، صيغتهO₃ ، وهو يحضَّر بإمرار شرارة كهربائية عبر الأكسجين (المعادلة 1).

ولا يزيد مردود هذا التفاعل على 01%، ويُحصل على الأوزون النقي بالتقطير المجزأ للخليط .O₂-O₃ ويتكوّن الأوزون بكميات صغيرة أيضاً في بعض التفاعلات الكيميائية التي ينتج منها الأكسجين، وينتج أيضاً من فعل الأشعة فوق البنفسجية على الأكسجين O₂. وتشم رائحة الأوزون النفّاذة في بعض الأحيان بعد حدوث عواصف رعدية قوية أو بالقرب من الآلات الكهربائية. والأوزون غاز سام إذا كان تركيزه عالياً، لونه أزرق باهت، وهو قليل الذوبان في الماء (-0.5g/l) عند الدرجة 0 ° س)، ولكنه أكثر ذوباناً في المذيبات اللاقطبية الخاملة مثل رباعي كلوريد الكربون أو الفلوروكربون ويشكل معها محلولاً لونه أزرق. ويتكاثف الأوزون عند الدرجة (-112°س) مشكلاً سائلاً لونه أزرق داكن. ومن الخطورة بمكان تسخين هذا السائل إلى درجة غليانه لأن هذا يؤدي إلى انفجار كل من الأوزون الغازي والأوزون السائل. ويتجمد الأوزون عند درجة الحرارة (-391°س) متحولاً إلى مادة صلبة سوداء بنفسجية. ويبلغ وزن لتر من الغاز عند الدرجة 0 ° س (ضغط 1 جو) 2.154 غرام، ووزن ميلي لتر من السائل (عند الدرجة – 211°س) 1.354غرام، و 1.573غرام عند الدرجة -183°س.

أثبتت مطيافية أشعة الأمواج المكروية تجريبياً أن جزيء الأوزون غير خطي؛ إذ يتم في الذرة المركزية تهجين sp² وعليها زوج إلكتروني حر واحد. وترتبط الذرة المركزية بإحدى ذرتي الأكسجين برابطة أحادية وبالذرة الثانية برابطة مزدوجة، فهناك رنين (تجاوب) بين صيغتين، أي إن رتبة ارتباط كل ذرة أكسجين بالذرة المركزية تساوي 1.5.

ويمكن الحصول على الأوزون مخبرياً باستخدام مدخرة 9V ومهبط من الغرافيت ومصعد من البلاتين وحمض الكبريت 3M كإلكتروليت حيث تحدث أنصاف التفاعلات (2, 3, 4).

وتشير محصلة أنصاف التفاعلات هذه إلى تحوّل 3 مكافئات من الماء إلى مكافئ واحد من الأوزون و3 مكافئات من الهدروجين علماً أن تشكل الهدروجين يُعدّ تفاعلاً منافساً.

عندما يتكوّن الأوزون من الأكسجين يجب إضافة كمية كبيرة من الطاقة، وطبعاً فإن كمية كبيرة مماثلة من الطاقة تنطلق عند تحلل الأوزون؛ لذلك فإن الأوزون يتحلل بسهولة لأن تفاعله ناشر للحرارة ويميل إلى أن يكون تلقائياً (المعادلة 5)

وتنتشر كمية حرارة قدرها (-142) كيلو جول /مول.

ويتفكك ببطء عند درجة حرارة 250°س في حال عدم وجود حفّاز أو أشعة فوق بنفسجية.

الخواص الكيميائية:

الأوزون عامل مؤكسد قوي للغاية وهو مؤكسد أقوى بكثير من الأكسجين العادي O2، وهذا يتضح من قيم كمونات المساري النظامية (القياسية) لكل منهما في المحاليل المعتدلة والقلوية (6, 7, 8, 9):

0.401-=E0 فولط

1.65-=E0 فولط

وهو يتفاعل مع معظم المواد عند درجة الحرارة 25°س. ويؤكسد الأوزون المركبات العضوية، مثل المطاط والخشب وكما يؤكسد الفضة والزئبق ويوديد البوتاسيوم KI (المعادلة 10):

وهذا التفاعل كمي quantitative ويستعمل للكشف عن الأوزون.

يتفكك الأوزون في محلول هدروكسيد الصوديوم NaOH، وتتناقص سرعة هذا التفكك بازدياد تركيز المحلول.

يتفاعل الأوزون مع المركبات الهدروكربونية غير المشبعة (ألكنات) مشكلاً أوزونيدات غير ثابتة تتحلل في الماء مكوّنة مركبات عضوية تحوي الرابطة C=O (ألدهيدات وكيتونات). إن الأوزون هو الكاشف التقليدي المستخدم لتشطّر الرابطة المزدوجة كربون - كربون.

يجري التحلل الأوزوني ozonolysis وفق مرحلتين: الأولى إضافة الأوزون إلى الرابطة المزدوجة ليتشكل الأوزونيد، وفي الثانية حلمهة (تحلل الماء) hydrolysis الأوزونيد ليعطي منتجات التشطر (المعادلة 11).

(11)

ويتفاعل الأوزون مع الهدروكسيدات الصلبة للمعادن القلوية M) alkali metals) وتتكوّن الأوزونيدات (المعادلة 12):

وثبات هذه الأوزونيدات يتناقص من Li إلى sC وفق الترتيب ، وهي تتفكك متحولة إلى MO₂ و O₂. إيون الأوزونيد O₃- ذو مغنطيسية مسايرة (طردية)، ويحوي إلكتروناً فردياً واحداً. والأزونيدات جميعها ذات لون أصفر أو برتقالي أو أحمر نظراً لأن امتصاصها للضوء يقع في المجال 400-600 (نانومتر).

ويستعمل الزنك Zn مرجعاً على شكل غبار الزنك وذلك لمنع تشكل بير أكسيد الهدروجين.

يوجد مزايا ومساوئ عديدة للخاصية المؤكسِدة للأوزون. ففي الجانب الإيجابي تبدو قوة الأكسدة للأوزون مشجعة على استخدامة بديلاً من الكلور في معالجة مصادر مياه الشرب إذ تبين أن الكلور الموجود في مياه الشرب يتفاعل مع بعض المواد العضوية الموجودة بكميات قليلة في الماء، وثبت أن بعض هذه المواد مثل الكلوروفورم تسبب السرطان، ولبعض المركبات الأخرى تأثير سام غير معروف في الوقت الحاضر عند تعرض الإنسان لها مدة طويلة. ويمكن تجنب هذه المشاكل جميعها إذا ما تم قتل البكتريا بالأوزون بدلاً من الكلور. ولكن تظهر مشكلة أخرى نتيجة بقاء كمية قليلة جداً من الأوزون بعد المعالجة وبالتالي فإن البكتريا التي تدخل الماء بعد المعالجة لا يمكن قتلها.

وللأوزون استعمالات أخرى في عدة مجالات، فهو يزيل الألوان من المواد العضوية، مثل الزيوت وغيرها، ومادة للتهوية وإزالة الروائح الكريهة من الأماكن المحصورة.

أما الجوانب السلبية فتبدو في قوة الأوزون المؤكسدة التي يمكن أن تسبب تلفاً كبيراً للمزروعات والمواد المصنوعة من المطاط الطبيعي. والأوزون هو المكوِّن الرئيس للضباب الدخاني (الضبخان smog)؛ ولذلك يُعدُّ التلف الذي يسببه الأوزون في الأماكن التي تعاني هذا الضباب من المشاكل الكبيرة، وأدى الازدياد الكبير في عدد السيارات في المدن إلى إحداث نوع من تلوث الهواء لم تتعرض له الإنسانية من قبل . ويتميز بظهور ضباب خفيف بني مائل للاحمرار ويحتوي على مواد تضر العيون والأنف والرئتين. وقد اصطلح على تسمية هذا الضباب بالضباب الدخاني الضوئي الكيميائي، وقد تم التوصل إلى معرفة أسبابه، وتبين أنه يعود إلى وجود مستويات عالية من الأوزون وأكاسيد الآزوت (النتروجين) في الجو.

وتبدأ عملية تكّون الضباب الدخاني في الصباح الباكر عندما تبدأ السيارات في شوارع المدن بإطلاق المادة الملِّوثة الرئيسة أحادي أكسيد النتروجين NO، ويتكون هذا الأكسيد في المحرك في أثناء احتراق الوقود باتحاد N₂ و O₂ مباشرة. ومصدر هذين الغازين هو الهواء الذي يُسحب إلى داخل المحرك لحرق الوقود. ومع أن التفاعل التالي (المعادلة 13):

له ثابت توازن صغير عند درجات الحرارة العادية فإن هذا الثابت يزداد بارتفاع درجة الحرارة، إذ إنّ كميات صغيرة من الأكسيد تتشكل في المحرك عند درجة حرارته المرتفعة نوعاً ما. وعندما تغادر غازات العادم المحرك تبرد بسرعة بحيث لا تتيح لغاز NO الفرصة الكافية لإعادة تحلله إلى N₂ وO₂، ونتيجة لذلك ينطلق في الهواء. إنّ تركيز NO يزداد خلال الساعات الأولى من النهار.

أما الخطوة التالية في تسلسل التفاعلات فهي أكسدة NO إلى NO₂. ويتم ذلك ببطء خلال الصباح، ويبدأ تركيز NO بالهبوط عندما يبدأ تركيز NO₂ بالازدياد، ووجود NO₂ هو الذي يضفي على الضباب الدخاني لونه البني المائل للاحمرار المميز. وببزوغ الشمس وارتفاعها في السماء يبدأ NO₂ بالإسهام في تفاعل ضوئي كيميائي، أي تفاعل ناجم عن امتصاص الضوء، وفي هذه الحالة تتسبب الأشعة فوق البنفسجية الموجودة في الأشعة الشمسية في تحلل NO₂ (المعادلة 14):

وتتحد ذرات الأكسجين الناتجة من هذا التفاعل مع جزيئات الأكسجين ويتكوّن الأوزون (المعادلة 15).

ويصل تركيز الأوزون إلى أقصى قيمة ممكنة له عند الظهر عندما يبدأ تركيز NO₂ بالانخفاض.

والأوزون نشط جداً، فهو يتفاعل مع NO ليكوّن NO₂؛ مما يؤدي إلى تخفيض سرعة تكون O₃ ومعدل ارتفاع تركيزه (المعادلة 16).

إلا أن الأوزون يتفاعل أيضاً مع مواد أخرى، وله تأثيرات ضارة في النباتات بسبب تفاعله مع الكلوروفيل. فهو نشط تجاه الجزيئات المحتوية على روابط مزدوجة من الكربون- الكربون على نحو خاص. فقبل تزويد السيارات بالأجهزة المضادة للتلوث كانت تطلق كميات كبيرة من الفحوم الهدروجينية (بما فيها بعض المركبات المحتوية على روابط مزدوجة) في الغلاف الجوي بتبخر الغازولين مع الغازات العادمة. وتتفاعل هذه المواد مع الأوزون في سلسلة تفاعلات معقدة لتعطي نواتج نهائية تدعى بيروكسي أسيل النترات peroxyacyl nitrates، وتُختصر بالحروف الإنكليزية PAN. وجزيئات PAN هذه عوامل مؤكسِدة تسهم في زيادة خاصية التأكسد في الضباب الضوئي الكيميائي، وتسبب PAN أيضاً تهيّج العيون، وإن كان مستوى تركيزها لايتجاوز الأجزاء من البليون.

وفي الساعات الأخيرة من بعد الظهر يبدأ تركيز O₃ بالانخفاض نتيجة تفاعله مع الفحوم الهدروجينية المحمولة جواً وبعض المواد الأخرى، ويخف الضباب الدخاني شيئاً فشيئاً حتى صباح اليوم الثاني.

وفي طبقات الجو العليا وعلى ارتفاع مابين 10 و 35 كيلومتراً يكون تركيز الأوزون في أعلى مستوى له في منطقة تعرف باسم طبقة الأوزون . ويتكوّن الأوزون في الجو _ بوجود كميات كبيرة من الأكسجين_ بامتصاص أشعة الشمس فوق البنفسجية. وتقوم هذه الأشعة بفصل جزيئات الأكسجين إلى ذرات (المعادلة 17).

وينتج O₃ من تفاعل ذرات الأكسجين مع جزيئات الأكسجين (التفاعل 18):

ويمتص الأوزون بدوره الأشعة فوق البنفسجية ولاسيما تلك التي ثبت ضررها على الكائنات الحية، وهذا يؤدي إلى تحلل O₃ مكوناً O2 مرة ثانية. إنّ امتصاص الأوزون للأشعة فوق البنفسجية يُحوّل الطاقة الضوئية إلى طاقة حرارية وبالتالي يحمي سكان كوكبنا من آثار هذه الأشعة الضارة.

لقد أثيرت ضجة منذ سنوات حول أثر بعض النشاطات الإنسانية في طبقة الأوزون الواقية. وكان هناك قلق بسبب الطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت، والتي تطير على ارتفاعات عالية وتنتج في أثناء تحليقها أحادي أكسيد النتروجين NO بكميات كبيرة نسبياً فتؤثر في تركيز الأوزون. ويمكن أن تؤثر كميات صغيرة منNO في تركيز O₃ تأثيراً ضاراً بسبب حدوث التفاعلين (19 و 20).

فجزيئات NO إذاً لا تزيل O₃ فقط ، بل تتفاعل أيضاً مع ذرات الأكسجن O اللازمة لإعادة تكوين O₃.

وبما أن ناتج التفاعل الثاني هو المادة المتفاعلة نفسها في التفاعل الأول؛ لذلك يستطيع كل جزيء من جزيئات NO أن يتفاعل في هذه الدورة عدة مرات. وعلى الرغم من هذا القلق المبدئي لم تسبب الطائرات التي تطير بأسرع من الصوت _على ما يبدو_ أي تغيير ملحوظ في تركيز الأوزون في طبقات الجو العليا.

ويكمن الخطر الثاني على طبقة الأوزون الواقية في إطلاق الفريونات Freons في الجو. وتتكون هذه المواد من كلور وفلور وكربون، وتسمى الكلوروفلوروكربون. وقد استخدمت هذه المواد على نطاق واسع في الرذاذات (علب الأيروسول) aerosol can (كالعلب المضغوطة التي تستعمل في رش مبيدات الحشرات) ومبرّدات، ومثال ذلك الفريون 11- CFCl₃، وهو عديم اللون والرائحة ويُعدُّ خاملاً كيميائياً في الظروف الطبيعية، إلا أنه عند انتشار مركبات الكلوروفلوروكربون في طبقات الجو العليا، يقوم بامتصاص الأشعة فوق البنفسجية، ما يؤدي إلى تحطيم روابط الكربون والكلور وتتحرر ذرة الكلور (التفاعل 21):

وكلا الناتجين في التفاعل (21) نشط كيميائياً، ولكن يعتقد أن لذرات الكلور علاقة في استنفاد طبقة الأوزون.

والتفاعلات المحتمل حدوثها (22 و 23):

وللمرة الثانية تتم دورة يقوم من خلالها نوع واحد (ذرة الكلور) بتحطيم كل من O₃ وذرات الأكسجين اللازمة لتعويض O₃.

حمت طبقة الأوزون الحياة في الأرض على مدى بلايين السنين إلا أن العلماء اكتشفوا في ربيع عام 1980 أن طبقة الأوزون قد رقّت مع فقدان حاد في الأوزون في منطقة القطب الجنوبي وبمقدار أقل في القطب الشمالي للأرض، وهذا ما عرف بثقب الأوزون، ويظهر الشكل (1) صوراً لهذا الثقب وورود أشعة الشمس عبر طبقة الأوزون باتجاه سطح الأرض. ويمكن أن يسبب هذا الثقب للقاطنين تحته مشاكل صحية تضر بعيونهم ومجاريهم التنفسية، وتسهم في إصابتهم بسرطان الجلد. ومع ذلك فإن ثقب الأوزون لا علاقة له بالاحتباس الحراري في الأرض؛ إذ إن الأشعة فوق البنفسجية تمثل أقل من 1% من الطاقة الآتية من الشمس، وهي ليست كافية لتكون السبب في وجود فائض من الحرارة في الأرض.

الشكل (1) صور امتصاص طبقة الأوزون للأشعة فوق البنفسجية

إن النشاط الإنساني المتمثل بحرق الفحم والمشتقات البترولية لإنتاج الكهرباء وانتشار غاز ثنائي أكسيد الكربون في الجو هو المسؤول عن الاحتباس الحراري في الأرض.

يمكن القول إن الأوزون مفيد عندما يكون في طبقات الجو العليا، ومضر عندما يكون في الأرض.

وإدراكاً من المجتمع الدولي للآثار الضارة المحتملة من جراء حدوث خلل في طبقة الأوزون تم وضع اتفاقية فيينا لحماية طبقة الأوزون عام 1985، ونصَّت على أهمية اتخاذ أطراف الاتفاقية التدابير المناسبة التي من شأنها حماية الصحة البشرية والبيئة من الآثار الضارة التي تنجم أو يرجح أن تنجم عن الأنشطة البشرية التي تحدث خللاً في طبقة الأوزون. وقد تمخض عن الاتفاقية «بروتوكول مونتريال» Montreal Protocol بشأن المواد التي تستنفد طبقة الأوزون عام 1987. يهدف «البروتوكول» إلى حماية طبقة الأوزون وذلك بالتخلص التدريجي من إنتاج مركبات الكلوروفلوركربون, ومركبات الكربون الهدروكلورية فلورية التي يعتقد أنها مسؤولة عن تأكل طبقة الأوزون ونفادها نظراً لقدرتها على تعديل الخواص الكيميائية أو الفيزيائية لطبقة الأوزون في الغلاف الطبقي (الستراتوسفير). وقد حددت هذه المواد في قوائم وفقاً للبروتوكول، ووضعت جداول زمنية تلزم أطراف البروتوكول بالتخلص من استهلاك تلك المواد وفق فترات زمنية محددة.

وتحتفل دول العالم في 16 أيلول/ سبتمبر من كل عام بيوم الأوزون الدولي تأكيداً لالتزام الدول الأطراف في بروتوكول مونتريال بالعمل على تخفيض استهلاك مختلف المواد التي تؤدي إلى استنفاد طبقة الأوزون.

مراجع للاستزادة:

-S. O. Andersen, K. M. Sarma, Protecting the Ozone Layer, Routledge, 2002.

-R. E. Keightley, Ozone, Hardpress Ltd, 2013.

-R. Sethi, Ozone and Ozone Depletion, Gazelle, 2013