Transcript 2장 오존층을 보호하자 - wizchem.org

Protecting Ozone Layer
Yongsik Lee
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 : What is it?
allotropic form of oxygen
물질 분자식 색
냄새 녹는점(℃) 끓는점(℃)
산소
O2
무색
무취
-218.4
-183.0
오존
O3 푸른색 자극성 -192.7
-111.9
Structure of Ozone
Simple Lewis Structure
..
O
..
O
O
O
O
O
Ozone Formation
전기적 충격이나 자외선을 이용하여 산소로부터 오존 생성
Ozone Formation
• 오존의 형성에는 에너지가 필요하다
– 대기중의 번개
• 성층권에서는 자연적으로 발생한다
– 태양의 자외선을 에너지원으로 이용
– 오존은 해로운 자외선 UVB 을 흡수한다
Ozone Layer Production
*오존 형성
.1~ 0.2 m
O2 0
 2O
O2  O  M  O3  M
*오존 분해
.2 ~ 0.3 m
O3 0
 O2  O
.2 ~ 0.3 m
O3  O 0
 2O2
오존층 고도 25km 부근에 존재
대기중의 오존 농도
Ozone 문제의 두 가지 유형 비교
대류권오존
성층권오존
O3
똑같은 물질
강한 산화력
오염물질
인체에 해가 됨
지역대기오염측면
지구로 유입되는
존
재
위
치
의
차
이
유해한 광선을
차단
광역대기오염측면
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
Dobson Unit (DU)
DU: 오존층 두께를 나타내는
수치
오존층 두께를 0℃,
1atm 상태로 환산한 것.
1 1 mm  1DU
100
mm  1DU
100
1mm  100DU
1
mm  1DU
100
적도 지방 연평균=250~300DU
고위도 지방 연평균=300~475DU
이 수준 이하로 떨어지면 오존 파괴
로 간주!
Ozone Levels Above Your House
(02/09/21)
도시
서울
부산
울릉도
New York
San Antonio
Seattle
latitude
37.52N
35.13N
37.49N
33.66N
29.46N
47.56N
longitude
126.92E
129.10E
130.89E
99.92W
98.51W
122.32W
Ozone Level
281DU
274DU
280DU
269DU
273DU
336DU
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
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
• Metallic Bonding 금속 결합
– 금속 원자 사이의 결합
– 전자는 금속 원자들 사이에서 공유되며
– 원자에서 원자로 자유롭게 움직인다
Lewis Structures
•
Visualize Atoms and Electrons
• 원소기호는 원자를 표시
• 점은 전자를 표시
H
O
H
• 전자쌍 하나는 단일 결합을 나타내고 직선으로 표시
H OH
H O H
Lewis Dot Diagrams
Ultraviolet Radiation
UVA (320-400 nm) 오존층에 흡수되지 않는다.
UV-A는 지표에까지 도달
하고 역시 피부의 주름, 노
화, 피부암 등에 영향을 주
는 것으로 추측되고 있다.
UVB (280-320 nm) 대부분은 오존층에 흡수되
지만, 일부는 지표면에 도
달한다.
UVC (100-280 nm) 오존층에 완전히 흡수된다
자외선의 작용 – 홍반 생
성, 색소 침착, 비타민 D
생성, 살균작용 등
Electro Magnetic Wave
• 전자기파 (electromagnetic wave, EMW)의 성질
– 파동의 성질을 가지고, 일정한 파장과 진동수
– 가시광선은 실제로 전자기파의 한 영역이다.
– 전기장과 자기장이 진동
• E = hν = hc/λ
– E는 광자 한 개의 에너지를 나타낸다.
– 광자의 에너지는 그 전자기파의 진동수에 비례하고,
파장에는 반비례한다.
– 파장이 짧고 진동수가 높은 자외선이 가시광선이나
IR보다 더 높은 에너지를 가진다.
Effect of excessive UV
Biological Effect of Ultraviolet Radiation
피부- 피부암, 홍반…
눈- 설맹, 백내장, 망막 손상…
면역저하-백혈구의 기능, 분포 변화
식물-곤충 등에 방어하는 물질 분비 SYS.에 이상…
해양 생물-플랑크톤 감소…
인공재료-플라스틱, 페인트 등의 붕괴 요인
그 외에 대기 오염물 등과 반응
오존 생성
스모그 발생 및 지표
흑색종 피부암 증가율
자외선B
특
징
피부 표피-홍반 유발
피부 진피-Tanning 유발
-편평상피세포암
-기저세포암
일광화상 주요인-레저
자외선
투
과
표
피
자외선A
표피 세포에서 거의 산란,
반사
구름, 안개, 창문 등을 투과생활 자외선
35~50％가 진피층까지 투과
홍반-색소침착
1차 흑화-Tanning
표피세포 파괴-각화현상
2차 흑화-색소 침착
-자외선B의 악영향 증대
진
피
콜라겐, 엘라스틴의 변성에 콜라겐, 엘라스틴 변성에 큰
영향
영향
자외선B의 영향을 악화시킴.
Geography of Skin Cancer
*시애틀과 달라스의 백인의 피부암 발생 증가율에 차이가 나는 이유는?
시애틀과 달라스의 위도차이
도시
위도
경도
시애틀
47.56N
112.32W
달라스
33.78N
92.38
주위 환경요인
시애틀- 물의 도시(많은 호수, 댐…)
달라스- 첨단 산업의 도시
자외선의 차이
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
SPF (자외선 차단 지수)
- 자외선 차단지수(SPF)는 실험실에서 측정되는 자외선 차단효과를
치수로 표시하는 단위로서 그 값은 배수를 의미
즉, 일반적으로 햇볕에 노출되었을 때 5분 만에 피부가 빨개지는 사람은
SPF 10인 선크림을 발라주면 50분만에 피부가 빨개지는 것을 의미
자외선 차단 화장품 고르기
- 통상 자외선차단지수(SPF)에 의해 구별
- 높을수록 기름기를 많이 머금어 바르는 것은 좋지 않음
- 전용 선크림의 SPF는 30∼50.자외선 차단기능을 포함한 메이크업 화장
품의 SPF는 20 이하가 좋다.
피부암
- 피부의 암종. 일반적으로 피부에 생기는 악성종양의 총칭
- 피부색과 태양광선에 대한 노출정도에 의해 악성종양의 발생 좌우함.
- 최근 오존층 감소로 인하여 자외선 양 증가(피부암 발생 증가 우려)
자외선 차단제
-
'선스크린(sunscreen)' 또는 '선블럭(sunblock)'이라 불린다.
"물리적 차단제"는 단파장과 장파장을 모두 차단
"화학적 차단제" 는 자외선 A나 자외선 B를 선택적으로 흡수함
자외선차단제를 선택할 때는 자외선 A, B가 모두 차단되는지 확인
Tanning Beds
2.19 Bronze by choice –
Tanning Salons
인공 선탠은 피부에 좋지 않다.
자외선 B뿐 아니라 자외선 A(인공 선탠) 역시 피부에 좋지 않다.
화상만 생기지 않을 뿐 피부에 더 깊이 침투 멜라닌 색소를 증가, 잡티 생성
VITAMIN D (비타민 D)
-
비타민 D는 자외선에서 획득
칼슘과 인의 흡수 촉진, 조직 중의 인산을 칼슘과 결합
골다공증과 골연화증을 치료.
암예방에 효과
백혈병, Melanoma의 성장을 억제
Melanoma : 피부에 생기는 피부암 중 가장 악성 질환이다.
멜라닌 세포가 존재하는 어느 부위에나 생기지만 피부에 가장 많이 나타난다.
피부가 흰 사람에게 많이 생기고 야외에서 일을 많이 하는 경우에 발병 위험성 높다.
대부분 사춘기 이후에 발생하는 것으로 알려져 있으며, 동양인의 경우에는
발바닥·손바닥·손톱 밑 등과 같은 신체의 말단부에 많이 생긴다.
※ 스모그가 많은 도시에 살고 있는 사람은 시골에 살고 있는 사람에 비해서
비타민D를 얻는 일이 적다. 스모그가 태양의 자외선을 흡수해 버리기 때문이다.
UV index
UV Index Forecast
UV Index : 태양 고도가 최대인 남중시각 때 지표에 도달하는 자외선-B (UVB) 영역의 복사량
UV INDEX
Light skinned (min)
Dark skinned (min)
0~2
Minimal
30
>120
3~4
Low
15~20
75~90
5~6
Moderate
10~12
50~60
7~9
High
7~8.5
33~40
10~15
Very High
<4~6
20~30
UV Index에 영향을 주는 요인들
성층권 오존 – 계절별, 위도별
오존의 양이 다름.
구름(일기 상태) – 물방울이 자외
선을 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?
주변 환경
자외선 반사율
Snow
80% 이상
Sand
15~20%
Water(수면)
10~100%
Concrete
5~6%
반사율 측면에서 생각할 때는 눈과 물이 위험하지만
계절적으로 여름이 자외선의 세기가 매우 높으므로 수면에
노출되었을 때 피해가 가장 클 것이라고 생각된다.
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.
CFC(Chloro fluoro cardon)
- 오존층 파괴의 주원인
성질
•
내열성 불연성
•
인화성 • 부식성 없음
•
무색•무취
•
무독성
다양한 용도로 사용
1.냉장고, 에어컨용매
2.추진제
3.반도체 세정제
4.수지의 발포제
5소화제
매우 안정
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
– CFC 는 암 모 니 아 를 대 체 하 는 냉 매 로 사 용 되 기
시작하였다.
– 염화플루오르화탄소는 자연적으로 발생하지 않는
인간이 만들어낸 화학물질이다.
– 가장 널리 쓰이는 두 가지는 CF2Cl2와 CFCl3 이다.
Naming CFC
– 염 화 플 루 오 르 화 탄 소 ( CFC) 의 코 드 번 호 를
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 수 명 을 가 지 는 것 으 로 추 정 되 는 데 , CFC 가
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)
십억 분자당 오존 농도 하나에
단위
공기
대응하는
계절적으로 남극의 봄인 10월에 최소값을 가진다.
Purple Octobers
10월의 오존농도
Latest North Pole
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 book & site
 Chemistry in context. 3th edition
 www.mhhe.com
 uvindex.metri.re.kr/uv_oz.html
 www.kma.go.kr/
 kremo.me.go.kr/
 www.dongduk.ac.kr/~www4480/kyungsuk/index.html
Reference
• http://www.nas.nasa.gov/Services/Education/Res
ources/TeacherWork/Ozone/Ozone.homepage.ht
m
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