Хлорфторвуглеводні
Хлорфторвуглеводні (англ. chlorofluorocarbons (CFC), рос. хлорфторуглероды) — дуже стабільні органічні сполуки, що складаються лише з атомів хлору, фтору і вуглецю, і мають загальну формулу CFxCl4-x або С2FxCl6-x.
Використовуються в холодильній техніці та як розчинники. Є джерелом хлору та фтору у верхніх шарах атмосфери і вважаються руйнівниками озону. У стратосфері при фотолізі розкладаються з утворенням CO2, HF та радикалів.
Вперше CFC були синтезовані у 1890-х роках бельгійськім хіміком Фредеріком Шварцем. У 1928 році Томас Міджлі, разом з Альбертом Хенном і Робертом Макнарі, шукаючи, за завданням корпорацій General Motors, DuPont і Frigidaire, безпечний холодоагент, базуючись на способі Шварца, синтезував дифтородихлорометан (CFC-12)[1]. Демонструючи нетоксичність і незаймистість цієї сполуки, Міджлі проводив таку демонстрацію: вдихав пари речовини, а потім гасив видихом свічку[2]. Така речовина була надзвичайно корисною для тодішньої індустрії рефрижераторів, оскільки як холодоагенти у той час використовувалися такі небезпечні речовини як аміак, метилхлорид і диоксид сірки, що призводило час від часу до нещасних випадків і гибелі людей.[3] У 1930 році винахідники отримали патент на використання сполуки у якості холодоагенту, і того ж року General Motors і DuPont організували компанію Kinetic Chemical Company, що почала виготовляти холодильники за новою технологією. У 1932 році DuPont зареєструвала CFC-12 під торговою маркою «фреон»[4].
У 1932 році Carrier Engineering Corporation почала продавати перший побутовий кондиціонер під брендом «Atmospheric Cabinet», що працював на CFC-11[3].
Під час другої світової війни CFC почав використовуватись у антималярійних репелентах (рідкий CFC при атмосферному тиску випаровувався, ефективно розпиляючи розчиненні речовини), а після війни аерозольні балончики з ним стали використовуватись повсюдно[2].
У 1950-х була винайдена технологія виробництва спіненого поліуретану з використанням CFC[2].
У 1974 Шервуд Роуленд і Маріо Моліна висунули гіпотезу, що фреони можуть спричиняти руйнування озону у стратосфері, а у 1985 році було зафіксоване виникнення «озонової діри» над Антарктидою. Втім, до кінця 1980-х виробництво CFC зростало, досягнувши 1200 тисяч тонн на рік[5]. У 1989 році був прийнятий Монреальський протокол про речовини що руйнують озоновий шар, після чого використання CFC почало різко спадати.
У 1990-х хлорфторвуглеводні були заміщені гідрохлорфторвуглеводнями, що мають значно меншу тривалість життя в атмосфері, а тому не накопичуються такими темпами. У 2000-х роках індустрія перейшла з гідрохлорфторвуглеводнів на ще більш безпечні сполуки, такі як гідрофторкарбонати[3].
Хлорфторвуглеводні використовують специфічну систему найменувань, що була запропонована ще у 1929 році і збереглася історично. Ця ж система використовується для позначення гідрохлорфторвуглеводнів[6].
Для позначення конкретної молекули використовується три числа:
- кількість атомів вуглецю — 1
- кількість атомів водню + 1 (у хлорфторвуглеводнях немає атомів водню, тому це число завжди дорівнює одиниці)
- кількість атомів фтору
Кількість атомів хлору може бути вирахувана за формулою Cl = 2(C+1) − H − F.
Якщо перше число дорівнює нулю — його опускають.
Наприклад, CFC-12 має 1 атом вуглецю, 0 атомів водню, 2 атоми фтору і 2 атоми хлору, а CFC-112 має 2 атоми вуглецю, 0 атомів водню, 2 атоми фтору і 4 атоми хлору. Ізомери позначаються маленькими латинськими літерами в кінці, наприклад CFC-113b.
Іноді замість CFC-n використовують позначення R-n (від англ. refrigerant) або F-n (від Freon).
Озоносферою називають частину стратосфери, у якій спостерігається підвищена концентрація озону. Озон у цьому шарі перебуває у динамічній рівновазі з молекулами O2 і вільними атомами кисню: ультрафіолетове випромінювання розбиває молекули кисню і озону на окремі атоми, які, в свою чергу, взаємодіючи з іншими молекулами кисню, утворюють озон, а взаємодіючи з озоном, знов утворюють двоатомні молекули.
Попри те, що максимальна концентрація озону становить лише 10 мільйонних, він ефективно абсорбує ультрафіолетове випромінювання в діапазоні 200–300 нм (поглинаючи УФ-випромінювання, озон дисоціює на O2 і вільний кисень)[7].
Молекули хлорфторвуглеводнів є вкрай стійкими, що дозволяє їм довго зберігатись у атмосфері. У стратосфері вони повільно дисоціюють під дією сонячного світла, вивільняючи атоми хлору, які в свою чергу вступають у такий цикл реакцій:
- ,
В результаті цього руйнується молекула озону, а вільний атом хлору знов повертається в атмосферу і може знову вступати в реакцію. Одна молекула CFC може таким чином зруйнувати 100000 молекул озону[8].
У 1985 році була погоджена, у 1988 році ратифікована Віденська конвенція про охорону озонового шару, що прямо вказувала на хлорфторвуглеводні як на причину зменшення кількості озону в атмосфері і передбачала створення протоколу, що буде містити конкретні кроки і обмеження на їх використання[9].
Цей протокол був погоджений у 1988 році (Монреальський протокол), а у 1991 році був створений фонд, що займався імплементацією його положень. Монреальський протокол ставив ціль зменшити до 2000 року викиди CFC-11, -12, -113, -114, і -115. Пізніше було затверджено кілька додаткових угод (Лондонська, Копенгагенська, Монреальська, Пекінська і Кігалійська поправки), що розширювали сферу дії на інші речовини, що руйнують озон та ставили більш амбіційні цілі[10]. Зараз Монреальський протокол вважається найуспішнішим прикладом міжнародної екологічної угоди. 198 країн ратифікували його, 160 з яких затвердили. Вже у 1992 році виробництво CFC зменшилося на 50 %. З 1995 року ці речовини не використовуються у холодильниках. На початку 2000-х виробництво CFC було повністю припинено у розвинутих країнах (у США з 2002 року)[5]. Споживання CFC практично припинилося з 2011 року. Загалом, використання речовин, що загрожують озоновому шару з моменту прийняття протоколу зменшилося на 99 % до 2016 року[11]. Додатковим позитивним ефектом є сповільнення глобального потепління, через те що хлорфторвуглеводні є дуже сильними парниковими газами[12].
Незважаючи на припинення використання, рівень CFC у атмосфері зменшується дуже повільно, менш ніж на 1 % за рік, по-перше через те, що рефрижератори і кондиціонери, виготовленні до 1995 року містять хлорфторвуглеводні[13], а по-друге через їх значну хімічну стійкість, через яку час життя різних CFC становить від 50 до 500 років[14].
- ↑ Myers, 2007, с. 101.
- ↑ а б в CFCS RISE AND FALL OF CHEMICAL 'MIRACLE'(англ.)
- ↑ а б в Chlorofluorocarbons (CFCs)(англ.)
- ↑ Myers, 2007, с. 102.
- ↑ а б Myers, 2007, с. 103.
- ↑ Name that compound: The numbers game for CFCs, HFCs, HCFCs, and Halons(англ.)
- ↑ Photolysis of Atmospheric Ozone in the Ultraviolet Region(англ.)
- ↑ How ozone is destroyed by CFCs(англ.)
- ↑ Vienna Convention for the Protection of the Ozone Layer (англ.)
- ↑ All Ratifications(англ.)
- ↑ Ozone Layer(англ.)
- ↑ Protecting the ozone Layer and reducing gLobaL Warming [Архівовано 2021-01-18 у Wayback Machine.](англ.)
- ↑ Are fluorocarbons still an issue in refrigerators, freezers, and air conditioners?(англ.)
- ↑ Scientifc Assessment of Ozone Depletion: 2014(англ.)
- Глосарій термінів з хімії / укладачі: Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.
- Richard L. Myers. The 100 Most Important Chemical Compounds: A Reference Guide. — Westport : Greenwood press, 2007. — 352 с. — ISBN 9780313080579.