ملخص التفاعلات الكيميائية في الغلاف الجوي — أولى ثانوي

مقدمة

الوحدة الثانية: الغلاف الجوي — البند 2-2

الغلاف الجوي ليس مجرد خليط ساكن من الغازات، بل وسط لتفاعلات كيميائية مستمرة: تكوين الأوزون بتأثير الأشعة فوق البنفسجية، وأكسدة بعض الغازات، وتكوين الضباب الدخاني فوق المدن. هذه التفاعلات تؤثر في جودة الهواء والمناخ وصحة الإنسان. فكيف يتكون الأوزون؟ ولماذا يكون مفيدًا في طبقة وضارًّا في أخرى؟

أهداف التعلم

أن تصف الأشعة فوق البنفسجية واستخداماتها.
أن تشرح تكوين الأوزون بالتفكك الضوئي.
أن تفسر أسباب تآكل طبقة الأوزون وآثاره على صحة الإنسان وطرق الحد منه.
أن تقارن بين الأوزون في الستراتوسفير والأوزون في التروبوسفير.

شرح الدرس

الأشعة فوق البنفسجية (UV)

الأشعة فوق البنفسجية أحد أنواع الطيف الكهرومغناطيسي، ذات أطوال موجية قصيرة وطاقة مرتفعة مقارنة بالضوء المرئي. ويمكن إنتاجها بمصابيح خاصة تُستخدم في تعقيم المعدات الجراحية والمختبرات وفي كشف الأوراق النقدية المزيفة.

وفي الغلاف الجوي تمتص جزيئات $N_2$ و $O_2$ والأكسجين الذري الفوتونات التي يقل طولها الموجي عن $240\,nm$ ، بينما يمتص الأوزون الفوتونات فوق البنفسجية التي تتراوح أطوالها بين $240\,nm$ و $310\,nm$ ؛ فيحمينا الأوزون في الستراتوسفير من هذه الفوتونات عالية الطاقة.

تكوين الأوزون

جزيء الأوزون $O_3$ مكون من ثلاث ذرات أكسجين، ويتكون بتأثير الأشعة فوق البنفسجية على جزيئات الأكسجين في خطوتين:

1) التفكك الضوئي (Photodissociation): كسر الروابط الكيميائية بفعل امتصاص الضوء؛ فالأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الأقل من $240\,nm$ تكسر الرابطة التساهمية في جزيء الأكسجين فينتج ذرتا أكسجين فرديتان:

O_2 \xrightarrow{UV\ (\lambda < 240\,nm)} O + O

2) تكوين الأوزون: ترتبط ذرة الأكسجين المفردة بجزيء أكسجين:

O + O_2 \rightarrow O_3

وعندما يمتص الأوزون الأشعة فوق البنفسجية يتحلل مرة أخرى إلى أكسجين، فتستمر دورة طبيعية متوازنة من التكوين والتحلل في الستراتوسفير.

تآكل طبقة الأوزون

تآكل (استنزاف) طبقة الأوزون: التآكل التدريجي لطبقة الأوزون الواقية، ويحدث أساسًا بسبب إطلاق مركبات تحتوي على الكلور والبروم، مثل الكلوروفلوروكربون (CFCs) الناتجة عن الأنشطة الصناعية، والتي تفكك جزيئات الأوزون؛ فتصل كمية أكبر من الأشعة فوق البنفسجية الضارة إلى سطح الأرض (ثقب الأوزون).

آثار الأشعة فوق البنفسجية على صحة الإنسان:

العضو	الأثر
الجلد	تلف الحمض النووي DNA في خلايا الجلد، فتحدث طفرات قد تسبب سرطانات الجلد مثل الميلانوما؛ ويحاول الجسم الإصلاح بإنزيمات خاصة، لكن التعرض المتكرر قد يفوق قدرة الخلايا
جهاز المناعة	تؤثر في بعض الخلايا المناعية مثل الخلايا التائية المساعدة (Helper T-cells) فتضعف الاستجابة المناعية ويصبح الجسم أكثر عرضة للعدوى
العين	امتصاص عدسة العين للأشعة يسرّع إعتام العدسة (Cataract) فتقل نفاذية الضوء إلى الشبكية

معلومة إثرائية: يُعد بروتوكول مونتريال مثالًا بارزًا على نجاح التعاون الدولي؛ إذ حُظر بموجبه إنتاج واستخدام كثير من المواد المستنفدة للأوزون، فبدأت الطبقة تتعافى ببطء.

الحد من تآكل الأوزون

اختيار المنتجات الصديقة للأوزون: تجنب منتجات التنظيف المحتوية على مركبات الكلور والبروم، واستخدام بدائل طبيعية مثل الخل وصودا الخبز.
تجنب المواد المستنفدة للأوزون:
- المبردات: تجنب الثلاجات والمكيفات التي تستخدم CFCs، واختيار أجهزة حديثة تستخدم بدائل آمنة مثل غاز التبريد 410A.
- طفايات الحريق: تجنب الطفايات المحتوية على غاز الهالون (يحتوي على البروم، من أقوى المواد المستنفدة للأوزون) واستبدالها بطفايات حديثة.

الأوزون في طبقة التروبوسفير

قد يتكون الأوزون قرب سطح الأرض نتيجة تفاعل أكاسيد النيتروجين مع الهيدروكربونات في وجود ضوء الشمس، ومن آثاره:

تكوين الضباب الدخاني (Smog) عند تجمعه مع ملوثات أخرى مثل $SO_2$ و $NO_2$ والجسيمات الدقيقة، ويظهر في المدن والمناطق الصناعية.
احتراق أوراق النباتات فتقل قدرتها على البناء الضوئي، وتلف المحاصيل ونقص جودتها.
تآكل المواد مثل البلاستيك والمطاط.
ضرر على صحة الإنسان مثل الحساسية والتهاب الشعب الهوائية.

فالأوزون مفيد في الستراتوسفير (يحمي من الأشعة فوق البنفسجية) وضار في التروبوسفير (ملوث).

معلومة إثرائية: الاحتباس الحراري

تمتص غازات الاحتباس الحراري (مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء) الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطح الأرض فتحبس الحرارة؛ وهذا احتباس طبيعي يحفظ الأرض دافئة. لكن الأنشطة البشرية مثل احتراق الوقود الأحفوري تزيد هذه الغازات فيحدث احتباس حراري معزز يؤدي إلى الاحترار العالمي.

أمثلة وتطبيقات

الطول الموجي الذي يسبب التفكك الضوئي للأكسجين: أقل من $240\,nm$ (مثلًا $230\,nm$ ).
الطول الموجي الذي يمتصه الأوزون: بين $240$ و $310\,nm$ (مثلًا $250\,nm$ ).
ينتج جزيء الأوزون عن ارتباط ذرة أكسجين مفردة بجزيء أكسجين.
تفاعل لا يسهم في الضباب الدخاني: تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين (ينتج ماء).

ملاحظات مهمة

التفكك الضوئي ينتج ذرتي أكسجين فرديتين وليس أيونات.
الأكسجين $(O_2)$ ليس من غازات الاحتباس الحراري.
CFCs والهالون من أخطر المواد المستنفدة للأوزون لاحتوائها على الكلور والبروم.

المفاهيم الأساسية

الأشعة فوق البنفسجية: قصيرة الموجة عالية الطاقة، تُستخدم في التعقيم.
تكوين الأوزون: تفكك ضوئي لـ $O_2$ ثم $O + O_2 \rightarrow O_3$ .
تآكل الأوزون: بسبب CFCs، ويسبب سرطان الجلد وضعف المناعة وإعتام العدسة.
الأوزون الأرضي: ملوث يكوّن الضباب الدخاني ويضر النبات والمواد.

ملخص الدرس

الغلاف الجوي وسط لتفاعلات كيميائية مستمرة. فالأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الأقل من 240 نانومتر تفكك جزيء الأكسجين ضوئيًّا إلى ذرتين، ترتبط كل منهما بجزيء أكسجين لتكوين الأوزون الذي يمتص الأشعة الضارة في الستراتوسفير. وتؤدي مركبات الكلور والبروم مثل CFCs والهالون إلى تآكل طبقة الأوزون، فتزيد إصابات سرطان الجلد وضعف المناعة وإعتام العدسة، ويمكن الحد من ذلك بالمنتجات الصديقة للبيئة والتعاون الدولي كبروتوكول مونتريال. أما الأوزون المتكون قرب الأرض فملوث يكوّن الضباب الدخاني ويضر النبات.

أسئلة للتدريب

اكتب خطوتي تكوين الأوزون في الستراتوسفير.
ما المقصود بالتفكك الضوئي؟
ما أسباب تآكل طبقة الأوزون؟ وما آثاره على صحة الإنسان؟
اذكر ثلاث طرق للحد من تآكل طبقة الأوزون.
كيف يؤثر الأوزون في طبقة التروبوسفير سلبًا على النباتات؟