Transcript 대기 중의 이온과 라디칼 Environmental Chemistry

대기 중의 이온과 라디칼
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대기 중의 이온
입자가 왕복운동을 할 때 대기입자와 충돌할 기회가 많은 곳에서는
대전된 입자들이 에너지를 잃고 밴앨런대에서 탈락. 그러나 한편에
서는 항상 이온화 입자의 보급이 이루어짐.
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대기 중의 자유 라디칼
광이온화(Photoionization)에 의해 이온이 생성되는 것과 더불어 대기 중의
강력한 전자기 방사선은 홀전자 (unpaired electron)를 가지는 원자나 원자
단인 자유 라디칼 (free radical)을 생성.
홀전자 (unpaired electron)
어떤 상황에서든 전자와 결합하려는 경향이 강하므로 반응성이 매우 큼.
자유라디칼 (free radical)
대기 중에서 일어나는 대부분의 중요한 화학적 현상들에 관여. 대기에 있어서 가장
중요. 반응성이 상당히 크므로 일반적으로 짧은 반감기. 완전히 고립된 자유 라디칼
이나 원자는 상당히 안정한 편.
라디칼은 화학반응의 생성물 중 하나가 라디칼이 되는 연쇄반응 (chain reaction)에
참여. 다른 라디칼과의 반응에 의해 라디칼이 없어지게 되면 연쇄반응은 끝이 나며
이러한 반응을 연쇄종결반응 (chain-terminating reaction).
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수산화라디칼(hydroxyl radical)
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대기에서 화학적 반응 과정에서 가장 중요한 중간생성물.
HO·는 여러가지 경오에 의해 생성. 유기화합물이 있을 경우, 수산화라디칼
은 광화학 스모그 형성의 중간생성물로써 많은 양이 생성.
높은 고도에서 물의 광분해에 의해 생성
H2O + hv → HO· + H
HO·은 아질산 증기의 광분해에 의해서도 생성
HONO + hv → HO· + NO
상대적으로 덜 오염된 대류권에서 수산화라디칼은 오존의 광분해와 이때 생성된 여
기된 산소원자와 물분자의 반응에 의해 생성
O3 + hv (λ<315nm) → O* + O2
O* + H2O → 2HO·
수소원자와 산소와의 반응에 의해 과산화수소라디칼(HOO·)을 생성한다. 여기서 생
성된 과산화수소라디칼은 연쇄종결반응에서 다시 수산화라디칼을 생성
HOO∙ + NO → NO2 + HO∙
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REPORT
“수산화라디칼의 생성반응”
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대기 중의 화학반응
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광화학반응
① 종결(quenching)반응
다른 물질(M)에게 에너지를 전달하고 원래 상태로 돌아옴
O2* + M → O2 + M (에너지가 높은 상태)
② 분해(dissociation)반응
들뜬 분자가 분해되어 원자 상태로 변함
O2* → O + O
③ 다른 물질과 직접반응(direct reaction)
O2* + O3 → 2O2 + O
④ 발광(luminescence)반응
전자기파의 형태로 에너지를 방출함
NO2* → NO2 + hv
O3 + NO → NO2* + O2
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⑤ 분자간 에너지 전이(intermolecular energy transfer)
들뜬상태의 분자가 다른 종에 에너지를 전달하여 들뜬 상태가 되게 함. 여기서
들뜬 것이 계속 반응하는 것을 감광(photosensitized)반응이라 한다.
O2* + Na → O2 + Na*
⑥ 분자내 전이(intramolecular transfer)
동일한 분자 내에서 에너지 전이가 일어남
⑦ 자발적 이성질체화(spontaneous isomerization)
다음과 같이 o-nitrobenzaldehyde가 o-nitrosobenzoic acid로 변환되는 것
과 같은 반응으로써, 전자기파에 노출된 정도를 측정하는 화학적 광량계
(actinometer)에 이용되는 반응
O
⑧ 전자를 잃는 광이온화(photoionization) O
C OH
C H
N * → N + + e⁻
2
2
+
NO
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hv
NO
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화학적 및 생화학적 반응
산-염기 반응
대기에는 낮은 농도의 이산화탄소가 존재하고 대기중의 물에 녹아 탄산을
형성하기 때문에 일반적으로 약간의 산성을 띠게 됨.
+
CO2→ CO2 + H2O → H + HCO3
대기에 존재하는 이산화황은 물에 녹게되면 훨씬 강한 산이 됨.
+
SO2 + H2O → H + HSO3
대기 오염의 관점에서는 산화되어 강산인 질산(HNO3)이나 황산(H2SO4)으
로 변화되는 질소산화물(NOx), 이산화황(SO2), 황화수소(H2S) 등이 훨씬
중요.
산성비로 인하여 인체, 생명체, 환경에 영향을 끼침.
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산소의 반응
산소의 순환은 대기화학, 지질화학, 생명현상에 있어서 핵심적인 역할.
산소는 화석연료의 연소에서와 같이 에너지 생산 반응에 관여
CH4(천연가스) + 2O2 → CO2 + 2H2O + E
산소는 호기성 미생물이 유기물을 분해하는데 이용 산화성 풍화작용
4FeO + O2 → 2Fe2O3
산소는 식물의 광합성 작용에 의하여 다시 대기로 유입
CO2 + H2O + hv → CH2O + O2
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질소반응
산소와 달리 열권의 상층부에서는 대부분 단원자 형태로 분해되어 존재하는 질소는
자외선에 의해 쉽게 분해되지 않음. 고도가 100 KM이상이 괴면 광화학적 분해에 의
해 원자질소가 생성
N2 + hv → N + N
질소원자를 생성하는 다른 반응들
+
+
N2 + O → NO + N
+
NO + e → N + O
+
+
O + N2 → NO + N
일산화질소(NO)는 성층권 오존의 소멸에 관여하여 소모되지만 이산화질소(NO2)에
의해 재생
O3 + NO → NO2 + O2
NO2 + O → NO + O2
+
+
일산화질소의 이온(NO )는 전리층에서 주요한 성분 NO 가 생성되는 가능한 반응
+
N2 + hv → N2 + e
+
+
N2 + O → NO + N
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