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標 題: [科學發展] 大氣層中的臭氧與氟氯碳化物
發信站: 政大狂狷年少 (04/18/05 23:40:45 Mon)
大氣層中的臭氧與氟氯碳化物 < 摘自科學發展月刊359期 2002年11月號 56∼61頁 >
作者： 鍾崇燊（國立清華大學化學系教授）
徐心仁（國立清華大學化學系）
--------------------------------------------------------------------------
臭氧
將乾燥的氧氣通過高壓放電裝置時，會產生一種淡藍色，有刺激性臭味的氣
體，這種氣體分子由三個氧原子組成，稱為臭氧。它和氧氣都是由氧元素所組
成，但是有不同的形狀、不同的鍵結方式與不同的性質，我們稱這兩種物質為
同素異形體。
臭氧在一大氣壓下，在攝氏零下112度液化成藍色液體，在攝氏零下192度凝
固成紫色固體。常溫時，臭氧並不穩定，它的氧化力非常強，可將碘化鉀氧化
為碘。因為碘與澱粉作用即變為藍色，因此利用碘的澱粉試紙，觀察試紙是否
轉變為藍色，是一種檢驗臭氧的有效方法。
http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2003_143/10-1.jpg
每年十月，南極地區臭氧耗減的情形。一個杜柏生單位（Dobson unit）
相當於攝氏0度和1大氣壓下，1公釐厚的臭氧。
臭氧的毒性甚強，是一九九一年美國訂定的四種主要氣態空氣污染物之一。
在都市，空氣中臭氧的允許限量為0.12 ppm（ppm為百萬分之一的含量）以下，
但是在許多大城市中，如美國洛杉磯、休士頓，日本的東京，巴西的聖保羅，
墨西哥的墨西哥市，臭氧的濃度經常超過0.15 ppm，甚至偶爾還高達0.5 ppm。
臭氧濃度小時會刺激眼睛，濃度達0.15 ppm即會造成咳嗽、氣喘、對呼吸道黏
膜系統產生刺激，濃度超過0.2 ppm時會導致肺腫、肺出血、甚至死亡。在劇
烈運動時，吸進臭氧是非常危險的。美國新澤西州高中足球隊員，就曾因運動
時吸入過量臭氧而住進醫院。美國加州的中學在臭氧濃度超過0.12 ppm時，就
不准學生在戶外遊玩。在0.15 ppm的臭氧中，一小時內就會使人精神委靡。
除此之外，臭氧還會造成大量經濟損失，例如，因為臭氧會氧化並打斷聚合
物中的雙鍵，使橡膠變硬及碎裂而損害天然橡膠及其相似的物體。
臭氧對植物生命最具威脅性，特別是菸草及番茄等農產品。臭氧會在綠葉表
面造成枯黃色的斑點，使植物的葉面受損。在臭氧濃度約0.06 ppm的環境中短
暫地暴露，就可能使許多植物光合作用的速率減半。
雖然有很多人為的途逕可產生臭氧，但是臭氧的主要來源是由大氣中的氧及
二氧化碳吸收光子，分解出氧原子。氧原子產生後，可與另一氧氣分子形成臭
氧。
分布在平流層中的臭氧濃度，大約是在對流層中臭氧的100倍。雖然臭氧在
對流層是項嚴重的污染物，在平流層（同溫層）的臭氧，由於能吸收波長小於
320奈米的光子，卻成了生物的保護神。
在大氣層之外，太陽光紫外線的能量雖然只有全部輻射能量的百分之八，對
生物體的傷害卻是非常大。幸好大氣中的氧氣可吸收波長小於242奈米的光子。
由於臭氧保護層的吸收光子，照到地球表面的紫外光線要比在大氣之外的紫
外光減弱很多，波長在300奈米以下的陽光，幾乎完全被氧氣與臭氧吸收。
光化學煙霧
在許多交通繁忙的都市裡，臭氧的濃度非常高，有時甚至會形成黃棕色的光
化學煙霧。原因是汽車及機車燃燒油料時，會產生氮化物，例如一氧化氮和二
氧化氮。二氧化氮在陽光下可以和空氣中的氧氣發生化學作用，釋出臭氧和一
氧化氮。臭氧又會與一些汽車中排放出的碳氫化合物作用，產生光化學煙霧。
為了減少臭氧及光化學煙霧的傷害，不少環保人士提倡我們應該在都市中，改
用電動汽車來代步，取代必須靠燃燒油料作為動力的車子。
紫外光對生物體的影響
高能量光子能激發生物分子中的電子，破壞生物分子中的化學鍵，引發生物
分子的化學反應，並且改變它們的性質，因此會造成生物體極大的傷害。傷害
的程度隨著紫外光波長變短而急遽增加。例如，生物體的去氧核醣核酸的生物
敏感度，就是光能強度損害生物體內去氧核醣核酸的相對值，隨波長增加而快
速減弱，若在280奈米處假設為1單位，在320奈米處就只有0.0001單位。由此
可以看出臭氧層的重要性，如果沒有臭氧吸收242奈米到320奈米的光子，陽光
中的紫外線將會對生物造成極大的傷害。
人類皮膚內的去氧核醣核酸易被輻射所損害，根據近期一項文獻報導，如果
平流層中的臭氧濃度減少1％，照射到地表的紫外光增加，就能使人類皮膚表
層與中層細胞發生病變的機率各增加6％與4％。若臭氧層濃度減少了10％，則
這兩層皮膚的致癌率將各升高90％與50％。除此之外，照射紫外光也會增加白
內障的病變和減弱人體免疫系統的功能。而紫外光輻射增加對於其他生物，如
爬蟲類的影響，會使它們的卵孵出健康幼雛的機率減低。不但這些爬蟲可能受
到極大的傷害，它們的掠食者也將喪失食物的來源，大大擾亂整個生態系統的
平衡。最近一項研究也發現，如果平流層中的臭氧濃度減少了25％，會使大豆
產量減少一半。而且紫外光會降低植物固氮作用的速率。
平流層臭氧的生成與破壞
每天約有3億噸臭氧在平流層生成，同時有相同 數量的臭氧被破壞。一九二
九年查浦曼（Sydney Chapman）首先提出有關這些變化的四個步驟，定名為查
浦曼循環，其中第二個步驟生成臭氧，第三與第四步驟卻進行破壞臭氧的反應。
如無催化劑，此循環的第四個步驟並不迅速，但如果有氫氧自由基（HO），氫
二氧自由基（HO2），一氧化氮（NO），二氧化氮（NO2），氯（Cl）以及氯氧
菪扆礡]ClO）等催化劑存在，則可加速此步驟而使臭氧的存量減少。
每個平流層中的氯原子，在離開平流層之前，平均破壞十萬個臭氧分子。南
極附近臭氧的濃度隨氯氧自由基濃度增加而減少。
氟氯碳化物的性質與用途
氟氯碳化物是一組由人工合成的化合物，最常使用的有氟利昂11（Freon-11，
CFC-11，CCl3F，三氯一氟甲烷）與氟利昂12（Freon-12，CFC-12，CCl2F2，
二氯二氟甲烷）。由於這類化合物非常安定，幾乎不與其他物質起化學反應，
毒性低且不燃燒。自從一九三○年代起，即大量製造，用作冰箱中的冷凍劑、
氣體溶劑中的推進劑、各類油脂的溶劑、外科醫療器具的消毒劑，以及製造高
分子混合物的充泡氣。
一九八五年，全球各國生產的CFC-11與CFC-12約為850,000噸，地表附近大
氣中的氟氯碳化物的濃度約0.6 ppb（ppb為十億分之一含量），以後每年約增
加百分之四。
氟氯碳化物的廣泛利用主因是由於這類化合物非常穩定，但也由於這項特性，
使得它能由對流層進入平流層，破壞臭氧，對環境造成極大損害。過去認為氟
氯碳化物這類人工合成的化合物，使人類生活上有了重大突破，是一項便利有
用的物質，如今卻發現它們是破壞臭氧的元兇。令人想起《道德經》上所說的
「福兮禍之所倚」。反過來看，天然產生的臭氧，在對流層是項嚴重的污染，
在平流層卻成為生物的保護神，正對應著《道德經》上所說的「禍兮福之所伏」。
因此，化學家們在合成新的化合物時，應多多思考「道法自然」所蘊藏的真理。
為了減少氟氯碳化物對臭氧層的傷害，化學家合成兩類氟氯碳化物的替代品，
一為不含氯的氫氟碳化物（HFC-134a，CH2FCF3），另一為易被破壞的氫氟氯
碳化物（HCFC-141b，CH3CCl2F）。
經由衛星的偵測，自一九七九年至一九九二年，南極地區臭氧濃度減少了50％
以上。可知在九十年代工業突飛猛進，大量使用含氯及含氮物質，使臭氧層破
洞日趨嚴重，如果我們不設法保護臭氧層，陽光中的紫外線將對地球上的生物
造成很大的傷害。現今因為庫魯芹、莫利那與羅蘭德的研究工作，使我們了解
在大氣中，臭氧的生成與破壞以及有關的各種反應的詳細歷程。且由於他們到
處鼓吹禁止氟氯碳化物的使用與排放，終於得到一百多個國家的支持，訂立「
蒙特婁議定書」，為了保護臭氧層，自一九九六年一月一日起，全面禁產氟氯
碳化物，使人類得以免除一場可能發生的浩劫。
-------------------------------------------------------------- 完 --------
資料來源： 《科學發展》2002年11月，359期，56∼61頁
http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2003_143/10-Q.pdf
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發信站: 政大狂狷年少 (04/18/05 23:40:45 Mon)
大氣層中的臭氧與氟氯碳化物 < 摘自科學發展月刊359期 2002年11月號 56∼61頁 >
作者： 鍾崇燊（國立清華大學化學系教授）
徐心仁（國立清華大學化學系）
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臭氧
將乾燥的氧氣通過高壓放電裝置時，會產生一種淡藍色，有刺激性臭味的氣
體，這種氣體分子由三個氧原子組成，稱為臭氧。它和氧氣都是由氧元素所組
成，但是有不同的形狀、不同的鍵結方式與不同的性質，我們稱這兩種物質為
同素異形體。
臭氧在一大氣壓下，在攝氏零下112度液化成藍色液體，在攝氏零下192度凝
固成紫色固體。常溫時，臭氧並不穩定，它的氧化力非常強，可將碘化鉀氧化
為碘。因為碘與澱粉作用即變為藍色，因此利用碘的澱粉試紙，觀察試紙是否
轉變為藍色，是一種檢驗臭氧的有效方法。
http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2003_143/10-1.jpg
每年十月，南極地區臭氧耗減的情形。一個杜柏生單位（Dobson unit）
相當於攝氏0度和1大氣壓下，1公釐厚的臭氧。
臭氧的毒性甚強，是一九九一年美國訂定的四種主要氣態空氣污染物之一。
在都市，空氣中臭氧的允許限量為0.12 ppm（ppm為百萬分之一的含量）以下，
但是在許多大城市中，如美國洛杉磯、休士頓，日本的東京，巴西的聖保羅，
墨西哥的墨西哥市，臭氧的濃度經常超過0.15 ppm，甚至偶爾還高達0.5 ppm。
臭氧濃度小時會刺激眼睛，濃度達0.15 ppm即會造成咳嗽、氣喘、對呼吸道黏
膜系統產生刺激，濃度超過0.2 ppm時會導致肺腫、肺出血、甚至死亡。在劇
烈運動時，吸進臭氧是非常危險的。美國新澤西州高中足球隊員，就曾因運動
時吸入過量臭氧而住進醫院。美國加州的中學在臭氧濃度超過0.12 ppm時，就
不准學生在戶外遊玩。在0.15 ppm的臭氧中，一小時內就會使人精神委靡。
除此之外，臭氧還會造成大量經濟損失，例如，因為臭氧會氧化並打斷聚合
物中的雙鍵，使橡膠變硬及碎裂而損害天然橡膠及其相似的物體。
臭氧對植物生命最具威脅性，特別是菸草及番茄等農產品。臭氧會在綠葉表
面造成枯黃色的斑點，使植物的葉面受損。在臭氧濃度約0.06 ppm的環境中短
暫地暴露，就可能使許多植物光合作用的速率減半。
雖然有很多人為的途逕可產生臭氧，但是臭氧的主要來源是由大氣中的氧及
二氧化碳吸收光子，分解出氧原子。氧原子產生後，可與另一氧氣分子形成臭
氧。
分布在平流層中的臭氧濃度，大約是在對流層中臭氧的100倍。雖然臭氧在
對流層是項嚴重的污染物，在平流層（同溫層）的臭氧，由於能吸收波長小於
320奈米的光子，卻成了生物的保護神。
在大氣層之外，太陽光紫外線的能量雖然只有全部輻射能量的百分之八，對
生物體的傷害卻是非常大。幸好大氣中的氧氣可吸收波長小於242奈米的光子。
由於臭氧保護層的吸收光子，照到地球表面的紫外光線要比在大氣之外的紫
外光減弱很多，波長在300奈米以下的陽光，幾乎完全被氧氣與臭氧吸收。
光化學煙霧
在許多交通繁忙的都市裡，臭氧的濃度非常高，有時甚至會形成黃棕色的光
化學煙霧。原因是汽車及機車燃燒油料時，會產生氮化物，例如一氧化氮和二
氧化氮。二氧化氮在陽光下可以和空氣中的氧氣發生化學作用，釋出臭氧和一
氧化氮。臭氧又會與一些汽車中排放出的碳氫化合物作用，產生光化學煙霧。
為了減少臭氧及光化學煙霧的傷害，不少環保人士提倡我們應該在都市中，改
用電動汽車來代步，取代必須靠燃燒油料作為動力的車子。
紫外光對生物體的影響
高能量光子能激發生物分子中的電子，破壞生物分子中的化學鍵，引發生物
分子的化學反應，並且改變它們的性質，因此會造成生物體極大的傷害。傷害
的程度隨著紫外光波長變短而急遽增加。例如，生物體的去氧核醣核酸的生物
敏感度，就是光能強度損害生物體內去氧核醣核酸的相對值，隨波長增加而快
速減弱，若在280奈米處假設為1單位，在320奈米處就只有0.0001單位。由此
可以看出臭氧層的重要性，如果沒有臭氧吸收242奈米到320奈米的光子，陽光
中的紫外線將會對生物造成極大的傷害。
人類皮膚內的去氧核醣核酸易被輻射所損害，根據近期一項文獻報導，如果
平流層中的臭氧濃度減少1％，照射到地表的紫外光增加，就能使人類皮膚表
層與中層細胞發生病變的機率各增加6％與4％。若臭氧層濃度減少了10％，則
這兩層皮膚的致癌率將各升高90％與50％。除此之外，照射紫外光也會增加白
內障的病變和減弱人體免疫系統的功能。而紫外光輻射增加對於其他生物，如
爬蟲類的影響，會使它們的卵孵出健康幼雛的機率減低。不但這些爬蟲可能受
到極大的傷害，它們的掠食者也將喪失食物的來源，大大擾亂整個生態系統的
平衡。最近一項研究也發現，如果平流層中的臭氧濃度減少了25％，會使大豆
產量減少一半。而且紫外光會降低植物固氮作用的速率。
平流層臭氧的生成與破壞
每天約有3億噸臭氧在平流層生成，同時有相同 數量的臭氧被破壞。一九二
九年查浦曼（Sydney Chapman）首先提出有關這些變化的四個步驟，定名為查
浦曼循環，其中第二個步驟生成臭氧，第三與第四步驟卻進行破壞臭氧的反應。
如無催化劑，此循環的第四個步驟並不迅速，但如果有氫氧自由基（HO），氫
二氧自由基（HO2），一氧化氮（NO），二氧化氮（NO2），氯（Cl）以及氯氧
菪扆礡]ClO）等催化劑存在，則可加速此步驟而使臭氧的存量減少。
每個平流層中的氯原子，在離開平流層之前，平均破壞十萬個臭氧分子。南
極附近臭氧的濃度隨氯氧自由基濃度增加而減少。
氟氯碳化物的性質與用途
氟氯碳化物是一組由人工合成的化合物，最常使用的有氟利昂11（Freon-11，
CFC-11，CCl3F，三氯一氟甲烷）與氟利昂12（Freon-12，CFC-12，CCl2F2，
二氯二氟甲烷）。由於這類化合物非常安定，幾乎不與其他物質起化學反應，
毒性低且不燃燒。自從一九三○年代起，即大量製造，用作冰箱中的冷凍劑、
氣體溶劑中的推進劑、各類油脂的溶劑、外科醫療器具的消毒劑，以及製造高
分子混合物的充泡氣。
一九八五年，全球各國生產的CFC-11與CFC-12約為850,000噸，地表附近大
氣中的氟氯碳化物的濃度約0.6 ppb（ppb為十億分之一含量），以後每年約增
加百分之四。
氟氯碳化物的廣泛利用主因是由於這類化合物非常穩定，但也由於這項特性，
使得它能由對流層進入平流層，破壞臭氧，對環境造成極大損害。過去認為氟
氯碳化物這類人工合成的化合物，使人類生活上有了重大突破，是一項便利有
用的物質，如今卻發現它們是破壞臭氧的元兇。令人想起《道德經》上所說的
「福兮禍之所倚」。反過來看，天然產生的臭氧，在對流層是項嚴重的污染，
在平流層卻成為生物的保護神，正對應著《道德經》上所說的「禍兮福之所伏」。
因此，化學家們在合成新的化合物時，應多多思考「道法自然」所蘊藏的真理。
為了減少氟氯碳化物對臭氧層的傷害，化學家合成兩類氟氯碳化物的替代品，
一為不含氯的氫氟碳化物（HFC-134a，CH2FCF3），另一為易被破壞的氫氟氯
碳化物（HCFC-141b，CH3CCl2F）。
經由衛星的偵測，自一九七九年至一九九二年，南極地區臭氧濃度減少了50％
以上。可知在九十年代工業突飛猛進，大量使用含氯及含氮物質，使臭氧層破
洞日趨嚴重，如果我們不設法保護臭氧層，陽光中的紫外線將對地球上的生物
造成很大的傷害。現今因為庫魯芹、莫利那與羅蘭德的研究工作，使我們了解
在大氣中，臭氧的生成與破壞以及有關的各種反應的詳細歷程。且由於他們到
處鼓吹禁止氟氯碳化物的使用與排放，終於得到一百多個國家的支持，訂立「
蒙特婁議定書」，為了保護臭氧層，自一九九六年一月一日起，全面禁產氟氯
碳化物，使人類得以免除一場可能發生的浩劫。
-------------------------------------------------------------- 完 --------
資料來源： 《科學發展》2002年11月，359期，56∼61頁
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