plazma, atmosfera, fotohemija

1. Fotohemijski procesi u atmosferi
Dragoljub Vukšić
©

2. Agenda
Das Unternehmen
Jahresergebnisse
Pläne für das nächste Jahr
Mitarbeiter
Abschluss
Integrisane akademske osnovne i master studije – Nastava Hemije

3.  Sve hemijske reakcije se mogu podeliti na termičke i fotohemijske.
• Termički tip reakcija se odnosi na one kod kojih se atomi i molekuli nalaze u njihovim
osnovnim stanjima. Pod uticajem toplote, supstance trpe i hemijske promene. Pod
hemijskom promenom se podrazumeva promena sastava uzorka. Te promene su vidljive
na temperaturama karakterističnim za supstance.
• Kod fotohemijskih reakcija atomi i molekuli se nalaze u elektronski pobuđenom stanju,
koje se ostvaruje pod dejstvom zračenja u širokom intervalu energije od vidljivog i
ultravioletnog, pa do rendgenskog i γ zračenja. Fotohemiju, dakle, zanima sudbina
pobuđenih elektrona molekula i atoma. Pobuđeni molekuli mogu tu energiju izgubiti u
sudarima sa drugim molekulima, pri čemu se izdvaja toplota.
• Ako se pobuđeni molekuli ili atomi vrate u osnovno stanje dajući foton, onda se mogu
javiti efekti fosforescencije i fluorescencije, zavisno od vremena relaksacije.
• Kratko vreme relaksacije od 10–8 s ukazuje na pojavu fluorescencije, a duga vremena
relaksacije, do nekoliko minuta ili časova, odnose se na pojavu fosforescencije
3

4.  Fotohemija izučava hemijske efekte koji su izazvani dejstvom svetlosti gde svetlost
uključuje ultraviolentnu(UV), vidljivu(VIS) ,i blisku infracrvenu oblast(IC)
elektromagnetnog zračenja.
• Ukoliko svetlost interaguje sa nekom sredinom ona može biti: propuštena,apsorbovana ili
odbijena i rasejana.
• Fotohemijske reakcije se odigravaju pri apsorpciji svetlosti, kao što je npr.reakcija sinteze
skroba iz vode i ugljen dioksida u prisustvu hlorofila.
• Apsorbovana svetlost još može izazvati reakcije sinteze, oksidacije, redukcije, disocijacije,
polimerizacije i dr.
• Pri apsorbovanj svetlosne energije dolazi do aktiviranja molekulašto za posledicu ima
nastajanje fotohemijskih procesa.
• Fotohemijska reakcija može biti ištetna kao što je nastajanje sumpora iz vodonik sulfida,
dejstvom UV zračenja.
• .
4

5.  Fotohemijske reakcije se dele na primarne, u kojima se pod dejstvom fotona stvaraju
radikali, i sekundarne, gde dalje učešće preuzimaju radikali
• Gasna plazma je jonizovano gasno stanje koje se sastoji od elektrona, jona, radikala,
atoma i molekula u osnovnom ili pobuđenom stanju.
• Plazma se često naziva i jonizovani gas jer su njeni bitni sastojci elektroni i pozitivni i
negativni joni uz prisustvo, zavisno od stepena jonizacije, i neutralnih čestica.
• Prisutne čestice mogu biti u svojim osnovnim kao i u pobuđenim stanjima.
• Pobuđeni atomi se oslobađaju energijе obično emisijom fotona energije hν
(h je Plankova konstanta dok je v frekvncija).
• Tako plazma predstavlja jedan složen sistem koji se sastoji iz više vrsta čestica (atomi,
molekuli, joni, elektroni..) kao i fotona
• .
5

6.  Pojam plazme se može najlakše razumeti posmatranjem procesa pražnjenja u gasovima ili
parama.
• Ako bi se iz neke staklene cevi, na čijim krajevima su postavljene metalna katoda i anoda,
potpuno izvukao gas, pri spoljašnjoj polarizaciji na katodi i anodi, kroz cev ne bi tekla
nikakva struja. Na negativnoj elektrodi bi se nagomilavali elektroni i oni bi težili da dođu
kroz cev na anodu, kako bi se izvršila depolarizacija.
• Ova situaciju na elektrodama se može slikovito predstaviti modelom kuglica u tanjiru,
kojima je dozvoljeno potpuno slobodno kretanje u okviru tanjira, ali nikako ne mogu da
izađu iz tanjira. Kuglice će napustiti tanjir tek kada dobiju znatno veću kinetičku energiju.
Analogno tome, elektroni će napustiti katodu tek kada se sistemu postavi znatno veća
jačina polja.
• Postoje četiri načina da elektroni napuste katodu, odnosno da metal emituje elektrone:
termoelektronska emisija, fotoemisija, sekundrana emisija, bombardovanje elektronima i
hladna emisija pri ekstremno jakom polju na šiljku. Gasovi, koji nisu podvrgnuti suviše
jakom električnom polju u običnim prilikama su prilično dobri izolatori.
6

7.  Ako napon povećavamo, cev će pri određenom naponu početi da svetli
• Pojava svetlosti u elektronskoj cevi dokaz je da je došlo do pražnjenja u gasovima.
• Ovo pražnjenje se može odvijati kao: tamno pražnjenje, tinjavo pražnjenje, trakasto
pražnjenje, iskričvo i u vidu električnog luka.
• Plazma se stvara u plazmahemijskom reaktoru.
7

8.  Meteorolozi su Zemljinu atmosferu podelili na nekoliko slojeva, sa različitim
karakteristikama i različitim procesima u njima tj. fotohemijsim i jonizacionim procesima,
koji se odvijaju u Zemljinoj atmosferi, kao najvećem hemijskom reaktoru.
 Hemijske reakcije protiču u svakom od tih slojeva i bitno utiču na opstanak živih bića na
Zemlji.
• Sloj atmosfere je podeljen na troposferu, stratosferu, mezosferu i termosferu
• Najbliži sloj Zemljinoj površini je trposfera i ona se prostire do visine od oko 10 km i u
njoj se nalazi 80% celokupne mase vazduha. Na ovoj visini temperatura iznosi oko 220 K
(–80ºC). U troposferi se sastav vazduha skoro na menja.
• Sa povećanjem visine, temperatura se skoro linearno smanjuje i najniža je na 10 km
• .
• .
8

9.  Količina Sunčeve energije koja pada na spoljašnju granicu Zemljine atmosfere iznosi 4 kJ
cm–2, pri čemu stvarna količina zavisi od geografske širine i atmosferskih uslova.
 Polovina Sunčevog spektra pripada infracrvenoj, a druga polovina vidljivoj i UV oblasti
• Samo deo te energije dopire na Zemljinu površinu, dok se preostali delovi apsorbuju
oblacima, rasejavaju komponentama atmosfere i apsorbuju molekulima prisutnim u
atmosferi.
 Zemlja dobija energiju iz vidljivog i IC dela spektra.
9

10.  Pošto je srednja temperatura Zemlje 280 K (7ºC) iz Zemlje se zrači u kosmos IC energija.
Najveći deo izračene energije sa Zemlje zahvataju CO2 i H2O molekuli
• CO2 + hν → CO2 *
• H2O + hν →H2O*
• Pobuđeno stanje ovih molekula može izgubiti višak energije u vidu toplote ili pri sudaru sa
drugim molekulima, kada, takođe, prelazi u toplotu.
• Deo izračene energije sa Zemlje se gubi nepovratno u kosmos, a drugi deo se ponovo
vraća na površinu Zemlje.
• Zbog toga se troposfera u proseku zagreje od 7 na 20ºC, a koncentracija CO2 je u
međuvremenu porasla sa 32 ppm na 38 ppm, pa je zbog toga narušen toplotni bilans
Zemlje.
10

11.  Postavlja se pitanje kako CO2 i H2O molekuli utiču na klimu.
• Usled povećanog isparavanja vode, povaćava se koncentracija vlage u atmosferi, pa ona
takođe povećava toplotni kapacitet atmosfere. Međutim, suprotno dejstvu CO2 i vode,
prisustvo veće količine dima i prašine u atmosferi dovodi do refleksije energije Sunca i
sniženja temperature.
• Dakle, troatomni molekuli CO2 i H2O sa većim stepenom slobode aposorbuju energiju IC
zračenja, koja po talasnoj dužini odgovara vibracionim spektrima molekula usled čega
dolazi do rezonantnog oscilovanja molekula.
• Ipak, pošto je u međuvremenu došlo do narušavanja ekološke ravnoteže, kroz promenu
koncentracije CO2 i H2O pare, povećana temperatura vodi ka naglom isparavanju vode i
ka naglom povećanju toplotnog kapaciteta atmosfere – efektu staklene bašte.
• Prema tome, efekat staklene bašte je u direktnoj vezi sa promenama toplotnog kapaciteta
prizemnih slojeva atmosfere, zbog povećanog sadržaja CO2 i H2O pare.
11

12.  U stratosferi sastav vazduha je homogen, ali za razliku od tropsfere, sadržaj ozona je u
stratosferi je znatno veći. Dakle, koncentracija O3 poraste sa 0.05 ppm u troposferi na 10
ppm u stratosferi. Upravo u ovoj oblasti atmosfere dolazi do stvaranja i razgradnje O3
molekula pod dejstvom UV zračenja.
• Visoka koncentracija O3 u stratosferi je štit za život na Zemlji, uprkos činjenici da se radi
o veoma nestabilnom molekulu koji se lako raspada na O2 i O. Ozon se stalno stvara u
atmosferi pod dejstvom UV zračenja talasne dužine manje od 240 nm. Mehanizam po
kome se obrazuje ozon je sledeći:
• O2 + hν (λ = 137 – 176 nm) → O + O
• Glavna reakcija ozona u stratosferi je njegovo razlaganje pod dejstvom UV zračenja:
• O3 + hν →O2 + O + E
• Ova poslednja reakcija ima dve važne posledice: izdvojena toplota povećava temperaturu
stratosfere, a fotohemijski proces apsorpcije UV zračenja deluje kao zaštitni ekran
12

13.  Dalje pitanje koje se nameće, odnosi se na materije koje troše ozon i time smanjuju
zaštitna svojstva ozona i pojavu ozonskih rupa.
• Najveći uticaj na potrošnju ozona i stvaranje ozonske rupe imaju organofluorna i
organohlorna jedinjenja pod trgovačkim nazivom freoni,
• Godišnja proizvodnja freona samo u SAD je oko 106 tona. Jedinjenja su veoma isparljiva,
a u hemijskom pogledu veoma inertna, za uslove koji postoje na Zemlji. Međutim, ona
nisu stabilna i inertna u stratosferi, gde se razlažu pod dejstvom UV zračenja talasne
dužine 175 – 220 nm.
• Dakle, jednom unesen radikal Cl* ili F* postaje trajni rušilac ozonskog omotača i uzrok
stvaranju ozonskih rupa.
• Pored ovih fotohemijskih i jonizacionih procesa, koji se odigravaju u najvećem hemijskom
reaktoru na Zemlji, postoje veštački fotohemijski i jonizacioni procesi, koji se primenjuju
u raznim granama industrije. Najvažniji od ovih procesa su: fotoliza, ozonizacija i
radioliza pitkih i otpadnih voda.
13