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Radikale in der Natur

Ozon - Abbau

In einer Höhe von ca. 25 km wird die Erde von einer Ozonschicht umgeben, die als Schutz vor kurzwelliger, energiereicher Sonnenstrahlung (UV-Strahlung) dient und so das Leben auf der Erde vor Strahlenschäden schützt. In dieser Region, die als Stratosphäre bezeichnet wird, vollziehen sich die Bildung und der Abbau des Ozons und es ist von großer Wichtigkeit, dass dieses Gleichgewicht nicht derart gestört wird, dass die Ozonkonzentration zu stark abnimmt. Nach heutigen Theorien wäre ein Leben ohne die schützende Ozonschicht nur auf die Ozeane beschränkt geblieben, in denen das Wasser die schädigende UV-Strahlung absorbiert.

Abb.1
Ozonabbau

Die Bildung des Ozons verläuft durch Addition atomaren Sauerstoffs an ein Sauerstoffmolekül im Triplett-Zustand. Dadurch bildet sich zunächst ein Ozondiradikal, das im Gleichgewicht mit der entsprechenden 1.3-dipolaren Grenzstruktur steht.

Mitte der achtziger Jahre haben Wissenschaftler zum ersten Mal einen starken Abfall der Ozonkonzentration in der Stratosphäre über der Antarktis entdeckt. Dieses sog. Ozonloch war beispiellos in der Geschichte der Ozon-Beobachtung, hat aber anschließend auch in anderen Bereichen der Stratosphäre (über der Arktis sowie 1988 sogar über den USA) zur Entdeckung weiterer Ozonlöcher geführt.

Es gibt starke Anhaltspunkte dafür, dass synthetisch hergestellte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs, im Englischen chlorofluorocarbons, CFCs), in denen sämtliche H-Atome durch Fluor oder Chlor ersetzt sind, als Hauptursache für diese Schädigung, d.h. für Ozonabbau, verantwortlich sind. Beispiele für solche FCKWs sind CFCl3 und CF2Cl2 . Diese Verbindungen sind gasförmig und unter dem Handelsnamen Freon als Kühlflüssigkeit in Kühlschränken und Klimaanlagen sowie als Treibgas in Aerosol-Sprays verwendet worden, da sie geruchlos, nicht toxisch, nicht entflammbar und chemisch relativ inert sind. FCKWs sind in der unteren Atmosphäre der Erde sehr stabil, werden aber in der Stratosphäre durch Einwirkung energiereicher Strahlung homolytisch in Radikale gespalten (siehe Graphik). Die dabei entstehenden Chlorradikale sind die eigentliche Ursache für den Ozonabbau.

Abb.2
Ozonabbau

Der Vorgang entspricht wieder einer Kettenreaktion, bei der sich das Chlorradikal an das Ozonmolekül addiert und dabei ein Sauerstoffmolekül freisetzt. Das so gebildete Chloroxydradikal reagiert mit weiterem Ozon unter Freisetzung von weiterem Sauerstoff. In diesem Schritt der Kettenreaktion wird auch ein neues Chlorradikal gebildet, das wiederum weiteres Ozon angreift und zerlegt. Die Kettenreaktion läuft bis zu einem Kettenabbruch, der dann entweder zu molekularem Chlor oder wieder zu Fluorchlorkohlenwasserstoffen führt. Diese Reaktionen sind vor allem von P.J. Crutzen, M.J. Molina und F.S. Rowland untersucht worden, wofür ihnen 1995 der Nobelpreis zuerkannt worden ist.

Nachdem die ozonschädigende Wirkung der Freone erkannt worden war, sind sie zwar relativ schnell aus der Produktion verbannt worden, doch aufgrund der langen Halbwertzeit der FCKWs werden die Folgen der Ozonschädigung noch nicht vollständig beseitigt sein.

Übung: Ozon - Abbau

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