Protecting Ozone Layer

Ozone
오존
allotrope of oxygen, O3
pale blue gas
very reactive, strong oxidizer

동소체 (Allotrope)
different molecular forms of the same element
탄소의 동소체는 흑연, 다이아몬드, 버키볼
동소체들끼리는 다른 성질을 가진다.

Ozone Formation
Ozone Formation
오존의 형성에는 에너지가 필요하다
대기중의 번개

성층권에서는 자연적으로 발생한다
태양의 자외선을 에너지원으로 이용
오존은 해로운 자외선 UVB 을 흡수한다

대기중의 오존 농도

성층권 오존의 양
해면에서의 표준기압으로 환산하면 약 3mm 두께 정도
태양의 복사 에너지에 의해 그 생성 양이 좌우됨.
여름철과 저위도에서 많은 양이 있을 것으로 생각되지만
실재 관측결과 : 봄에 최대, 가을에 최소
중·고위도일수록 많은 양이 존재


결합의 원리

What is Bonding?
결합이란 원자나 이온을 서로 묶어주는 힘을 말한다.

결합에 작용하는 세 가지 힘
Attraction between electrons and nuclei
Repulsion between electrons
Repulsion between nuclei

결합은 구성 원자들을 안정화시킨다. (Lower Energy)
What is Special about Noble Gases?
Noble Gases (He, Ne, Ar, Kr, Xe)
안정되어 반응을 않는다
8 electrons in outer shell (octet)
8개의 최외각 전자를 만들면 안정

Atoms form Ions
to achieve 8 electrons in outer shell (octet)

Types of Bonding
Ionic Bonding 이온 결합
금속과 비금속 사이의 결합
이온을 형성하여 결합
각 이온은 최외각 전자껍질을 모두 채운다

Types of Bonding
Ionic Bonding
metals and non-metals
bonds between ions
each ion has a full outer shell
Covalent Bonding 공유 결합
비금속 사이의 결합
전자를 두 개의 원자가 공유
공유한 전자를 이용하여 최외각 전자껍질을 채움

Types of Bonding

Lewis Structures

Electro Magnetic Wave
Effect of excessive UV

UV-B level increase
A 1996 study using satellite-based analyses
UV-b levels had increased at ground level.
UV-b incidence is strongly dependent on latitude.
% increase of UV-B for 10 yrs

UV index

UV Index에 영향을 주는 요인들
성층권 오존 ? 계절별, 위도별 오존의 양이 다름.
구름(일기 상태) ? 물방울이 자외선을 반사, 산란.
먼지, 연무, 대기 오염 (GHG) - 스모그
고도 (지상으로부터의 높이) ?높을 수록
시각 , 계절, 위도 ? 태양의 고도와 관계

다음 중 어느 환경에 노출 시 가장 위험할까?
CFC
Steady state of Ozone
정류 상태(steady state)
성층권에서는 매일 3억톤의 오존이 형성되고 없어진다. 겉에서 볼 때는 일정량의 오존이 유지되고 있다.
끊임없이 변화하고 있는 계가 균형을 이루어 어떤 화학종의 농도가 밖에서 보았을 때 변화하지 않는 것처럼 보이는 상태를 말한다.
성층권 오존의 경우
채프만 사이클(Chapman cycle) 이라는 네 개의 반응으로 정류상태가 이루어진다.

Chapman Cycle
채프만 사이클은 성층권 오존에 대해 시드니 채프만에 의해서 1930년에 처음으로 제안되었다.

산소 분자의 분해 O2 + UV → 2O
오존의 형성 O2 + O → O3
오존의 분해 O3 + UV → O2 + O
산소 분자의 형성 O3 + O → O2

Coolant
냉장고나 에어컨의 원리
냉매 기체를 압축, 팽창시키면서 열역학적인 일을 계에 행해주고
그 과정에서 낮은 온도의 열원으로부터 열을 흡수하여 높은 온도의 열원으로 열을 방출시킨다.
열역학적으로 이 과정은 열기관의 역과정
전기료를 지불하여 압축기와 냉매 순환펌프를 돌리면 낮은 온도의 열원에서 열을 흡수하여 높은 온도 쪽으로 방출한다.

Refreigerator
냉장고의 냉매 기체 흐름
냉동실에서는 기체가 팽창하면서 열을 빼았고,
그 기체를 압축기를 이용하여 압력을 높여 다시 액화시킨다.
냉매 기체가 액화될 때 보통 열이 발생한다. 그래서 냉장고의 뒤쪽이나 바닥에서는 열이 나게 마련이다.
액화된 냉매는 냉동실로 되돌아가서 급속 팽창되면서 기체로 되돌아가는 과정에서 열을 흡수한다.

chlorofluorocarbon
초창기 냉장고의 냉매
무수 암모니아나 이산화황
유독하고, 부식성이 높아 냉매 순환기를 잘 망가트리며, 고약한 냄새가 나서 사용하기 적당하지 않았다.

염화플루오르화탄소 (CFC)
1930년대 듀퐁(DuPont)사에서 CFC 개발
CFC는 암모니아를 대체하는 냉매로 사용되기 시작하였다.
염화플루오르화탄소는 자연적으로 발생하지 않는 인간이 만들어낸 화학물질이다.
가장 널리 쓰이는 두 가지는 CF2Cl2와 CFCl3 이다.

Naming CFC
염화플루오르화탄소(CFC)의 코드 번호를 해석하는 방법
그 수에 90을 더해서 해석
가령 CFC-11 의 경우 90 + 11 = 101이다. 이 수의 첫 번째 숫자는 탄소 원자, 두 번째 숫자는 수소원자, 그리고 세 번째 숫자는 불소원자의 개수이다. 탄소가 단일 공유결합을 한다고 생각하고 나머지 자리는 모두 염소로 채워진다.
CFC-11은 CFCl3 , CFC-12은 CF2Cl2 임을 알 수 있다.
이들 기체는 프레온(Freon) 이라고도 불리는데 이 단어는 듀퐁사의 상표이다.

Photolysis of CFC
자외선에 의한 CFC 분해
1973년 로우랜드(Rowland) 교수와 모리나(Molina) 박사
고도가 높아지면 산소와 오존의 농도가 감소하고, 자외선의 세기는 증가한다는 사실을 이용하여
성층권에서는 염화플루오르화탄소의 C-Cl 결합이 파괴될 수 있다는 결론을 내렸다.
반응성이 없다는 CFC는 대기중에서 자연적으로 파괴될 때까지 약 70-120년간 유지될 수 있는 상당히 긴 수명을 가지는 것으로 추정되는데, CFC가 성층권까지 확산되어 올라가는 기간은 약 5년으로 추정된다.

Rowland’s and Molina’s
CCl2F2 + 220nm -> CClF2 + Cl
Cl + Ozone -> ClO + O2
ClO + O -> Cl + O2
Ozone level decrease
Cl 이 오존분해 반응의 촉매
알짜 반응식은 오존이 산소 분자로 변환되는 반응식이고, 이 오존 파괴 반응에서 염소원자는 반응물로도 사용되고 생성물로도 나타난다

Cl in atmoshpere
남극상공의 오존감소
남극대륙 Halley Bay 1956년~1992년 매년10월 측정(영국) 약320DU 140DU(약 50%이상감소)
Dobson unit(DU) 공기 십억 분자당 오존 농도 하나에 대응하는 단위
Purple Octobers 10월의 오존농도

Latest South Pole
Full day Global Image
Ozone Hole Monitoring

남극상공만 오존층이 많이 파괴된 이유
남극의 겨울은 대단히 춥다 남극점 주위의 온도가 하강
대기중에 일종의 소용돌이 생김
얼음 알갱이로 구성된 구름이 생성 얼음 알갱이가 염소화합물에 작용 오존과 반응하는 형태로 바꾸어 놓음

2.22 Properties of CFCs
1~2개의 탄소(C)에 염소(Cl)와 플르오르(F) 혹은 수소(H)가 결합된 화합물 Chlorofluoralkane 혹은 chlorofluorcarbons(CFCs)라고 한다.
비부식성, 무독성- 식품사용에 용이, 취급이 쉽다.
낮은 압력에서도 액화- 열효율이 좋아 냉장고, 에어콘의 냉매제로 사용
단열 발포제로 이용- 기체상의 열전도도가 낮다.
반도체 인쇄회로나 광학렌즈의 세정제
용매와 잘 섞이며 무취성, 분사능력이 좋아 에어로졸 분사제로 이용한다.
최근에는 방취제를 사용하는 캔, 헤어스프레이, 기타 생산품의 분사제로 사용.

2.21 Uses of CFCs
개인에 있어서

refrigerants in home refrigerators> refrigerants in home freezers> refrigerants in home air conditioners> foaming agents for plastics> refrigerants in car air conditioners> fire extinguishers> aerosol propellants> solvents for cleaning computer chips


사회에 있어서

solvents for cleaning computer chips> refrigerants in car air conditioners> foaming agents for plastics> aerosol propellants> fire extinguishers> refrigerants in home refrigerators> refrigerants in home freezers> refrigerants in home air conditioners
Antarctic O3 and ClO concentrations

Catalyst
염소 원자는 오존 파괴 반응의 촉매
아주 적은 양의 염소 원자도 많은 양의 오존을 파괴할 수 있다.
평균적으로 염소 원자 한 개는 약 십 만개의 오존 분자 파괴에 참여
염소 원자가 제거 반응
대기 아래층으로 확산된 염소 원자는 HCl과 같은 안정된 화합물이 되어 빗물에 녹아 지표로 돌아올 수 있다.
약 30 km 아래 고도에서는 염소 원자가 HCl이나 ClONOO 같은 안정된 화합물로 바뀌어 제거된다.

Chain Reaction
연쇄반응(chain reaction)
몇 개의 반응이 계속 반복되는 반응이다.
연쇄반응은 다음의 세 단계로 이루어진다.
반응 개시단계(initiation)에서는 둘 혹은 그 이상의 반응 중간체가 생성된다.
반응 전파단계(proparation)에서는 생성물이 형성되면서 반응중간체가 계속해서 재생성되는 단계이다.
반응 종결단계(termination)은 두 중간체가 서로 결합해서 안정한 생성물이 되는 단계이다.

Preserving Ozone
오존을 파괴하는 염소 원자의 80%가 CFC와 같은 합성 화합물에서 발생

CFC 사용금지
1987년 몬트리올에서 선진국들은 프레온의 사용을 점차적으로 줄여갈 것을 내용으로 하는 조약에 서명하였다.
1978년부터 북미에서는 CFC가 든 헤어 스프레이의 사용이, 1990년에는 플라스틱 발포 작용제로 사용이 금지

몬트리올 조약 내용이 충분하지 않다는 학계의 지적에 따라 1990년 런던에 모인 100개국 대표들은 2000년에 염화플루오르화탄소의 생산을 완전히 금지하기로 결정하였다.
그렇다면 어떤 냉매를 사용할 것인가? 가장 직접적인 대체 물질은 수소염화 플루오르화탄소이다.

HydrogenCFC
궁극적으로는 염소 원자를 포함하지 않는 불화탄소, 즉 수소, 불소, 탄소만의 화합물을 사용하는 것이 가장 적절할 것이다
-26℃의 끓는점을 갖는 HFC-134a는 CFC-12의 대체물질로 사용될 수 있음이 알려졌다. 이 분자는 염소 원자를 전혀 가지고 있지 않고, 두 개의 수소원자로서는 가연성이 떨어지며, 낮은 고도에서 분해가 촉진된다.
CFC보다 더 빨리 분해됨으로써 성층권 내에 축적되지 않는다.
CHF2Cl은 이미 에어컨과 인스턴트 식품용기 제작에 사용되고 있는떼, 오존 파괴 잠재력은 CFC-12의 약 5%에 불과하다.

Ozone Depletion
CFCs have been replaced by hydrocarbons due to the 1990 Clean Air Act
propane
butane
isobutane
isopentane
Used to blow Styrofoam and as a propellant for aerosols, like shave gel and hair spray

Ozone hole
봄에는 남극에서 최소치가 관찰된다.
남극의 오존층에서 농도 감소
오존 구멍

Nobel Prize in chemistry (1995)
for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone
Paul J. Crutzen, Mario J. Molina, F. Sherwood Rowland

Reference
http://www.nas.nasa.gov/Services/Education/Resources/TeacherWork/Ozone/Ozone.homepage.htm
Nasa에서 운영, 오존에 관한 이론과 각종 자료
http://www.epa.gov/docs/ozone/title6/609/cons2.html
오존 홀에 관한 그래픽 자료, 자외선등 유용한 자료
http://www/greenpeace.org
세계적인 환경 단체 그린피스가 운영하는 홈페이지
http://www.unep.org/ozone
몬트리올 의정서를 지도하고 있는 UNEP의 공식 홈페이지중 오존 문제를 다룬 홈페이지
참고 문헌
http://www.epa.gov/oar/aqtrnd95/stratoz.html
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1995/index.html
Chemistry in context, p.76
The same and not the same pp230-262