Исследования Роуленда и Молины показывали, что атомы хлора ускоряют распад молекул озона. Сначала атомы хлора сталкиваются с молекулами озона, в результате чего образуются монооксид хлора ClO и молекулярный кислород.
Монооксид хлора взаимодействует с атомом кислорода с образованием молекулы кислорода и регенерацией атома хлора.
Роуленд и Молина предположили, что эти реакции могут нарушать равновесие между озоном и кислородом, поскольку они ускоряют распад озона, но не влияют на его образование. Атом хлора, который используется на первой стадии процесса и регенерирует на последней стадии, выступает в роли катализатора, то есть ускоряет процесс, но сам не расходуется. Это и пугает сильнее всего: проблема не только в том, что атомы хлора разрушают озон, но и в том, что они делают это снова и снова. По некоторым оценкам один атом хлора, проникший в верхние слои атмосферы в составе ХФУ, может расщепить более ста тысяч молекул озона, прежде чем потеряет активность. А сокращение озонового слоя всего на ι % способствует повышению уровня пагубной солнечной радиации у поверхности Земли на 2 %.
На основании своих расчетов Роуленд и Молина предсказали, что атомы хлора из ХФУ и родственных соединений начинают разрушать озоновый слой. В то время, когда ученые проводили свои эксперименты, ежедневно в атмосферу попадали миллиарды молекул ХФУ. Новость о том, что ХФУ представляют реальную угрозу озоновому слою и, следовательно, здоровью и безопасности всех живых организмов, вызвала определенную реакцию ученых и общественности, однако потребовалось еще несколько лет и многочисленные исследования, прежде чем ХФУ были запрещены — сначала частично, а затем и полностью.
На принятие решения о запрещении использования ХФУ повлиял результат, полученный из совершенно неожиданного источника. В 1985 году в Антарктике были проведены исследования, которые продемонстрировали постепенное исчезновение озонового слоя над Южным полюсом. Никто не ожидал, что самая большая “дыра” в озоновом слое может появиться среди зимы над практически необитаемым континентом, где никто не пользуется ни холодильниками, ни лаком для волос. Это открытие означало, что попадание ХФУ в окружающую среду — действительно глобальная проблема. В 1987 году исследовательский самолет, курсировавший в районе Южного полюса, обнаружил в зоне разрежения озонового слоя молекулы монооксида хлора. Это было экспериментальным подтверждением предсказаний Роуленда и Молины (которые через восемь лет после этого, в 1995 году, получили Нобелевскую премию по химии за предсказание долгосрочного воздействия ХФУ на состояние стратосферы и окружающей среды).
В 1989 году вступил в силу Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Этот договор обязал все подписавшие его страны сначала постепенно, а потом и полностью отказаться от использования ХФУ. На сегодняшний день в холодильных установках вместо хлорфторуглеродов используются гидрофторуглероды и гидрохлорфторуглероды. Эти вещества не содержат хлора либо легче расщепляются в атмосфере и значительно реже, чем более стабильные хлорфторуглероды, достигают стратосферы. Однако эти вещества не такие эффективные хладагенты, и теперь для осуществления холодильного цикла требуется примерно на 3 % больше энергии.
До сих пор в атмосфере остаются миллиарды молекул ХФУ. Не все страны подписали Монреальский протокол, но даже в тех странах, которые это сделали, в эксплуатации находятся миллионы холодильников с ХФУ, а еще сотни тысяч уже не используются, но продолжают выпускать в атмосферу молекулы ХФУ, которые медленно, но неумолимо уничтожают озоновый слой. Воздействие этих когда-то столь популярных веществ может сказаться через несколько столетий. Увеличение интенсивности высокоэнергетической составляющей солнечной радиации приводит к повреждению клеток живых организмов и их ДНК, что, в свою очередь, способствует возникновению вредных мутаций, а также рака.
Хлорфторуглероды — не единственная группа молекул, которые сначала казались чрезвычайно полезными, но через какое-то время продемонстрировали свою токсичность и потенциальную опасность для здоровья людей и состояния окружающей среды. Интересно, однако, что “темную сторону” среди всех органических соединений чаще всего показывают соединения хлора. Эта двуликость свойственна даже элементарному хлору. Миллионы людей во всем мире нуждаются в хлоре для очистки источников воды. Для этой цели пригодны и другие вещества, но они гораздо дороже.
В прошлом столетии был сделан очень важный шаг в сторону обеспечения всего мирового населения чистой питьевой водой, хотя проблема чистой воды все еще не решена полностью. Без использования хлора нам бы не удалось сильно продвинуться в этом направлении. Однако хлор ядовит, что ясно видно, например, из исследований немецкого химика Фрица Габера, синтезировавшего аммиак из атмосферного азота и изучавшего действие отравляющих газов (мы говорили об этом в главе 5). Первым отравляющим веществом, которое использовалось в качестве оружия массового поражения во время Первой мировой войны, был зеленовато-желтый газ хлор. Первые симптомы при отравлении хлором — затруднение дыхания и удушье. Хлор оказывает сильное раздражающее действие на клетки и может вызвать смертельно опасный отек легких и бронхов. После хлора в качестве отравляющих веществ были применены горчичный газ (иприт) и фосген, молекулы которых также содержат хлор и оказывают не менее ужасное действие на организм, чем сам хлор. Хотя уровень смертности при отравлении горчичным газом не очень высок, вдыхание этого вещества приводит к тяжелому и длительному нарушению зрения и дыхания.
Отравляющие газы, использовавшиеся во время Первой мировой войны; атомы хлора выделены жирным шрифтом.
Фосген — очень токсичный бесцветный газ. Он самый коварный среди всех этих ядов. Он действует не мгновенно, так что человек продолжает им дышать, постепенно вдыхая смертельную дозу. Смерть обычно наступает в результате удушья, вызванного отеком легких и дыхательных путей.
ПХД: другие неприятности, связанные с хлором
Можно привести еще один пример того, как считавшиеся поначалу чудесными соединения хлора оказались опасными для здоровья. Промышленное производство полихлорированных дифенилов (ПХД) началось в конце 20-х годов XX века. Эти вещества идеально подходили для использования в качестве изоляторов и охлаждающих агентов для трансформаторов, реакторов и конденсаторов. Особенно ценным свойством этих веществ была их невероятная стабильность даже при высокой температуре и негорючесть. Их использовали в качестве пластификаторов (веществ, повышающих эластичность материалов) при производстве различных полимеров, включая те, что применяются для изготовления упаковочных материалов для пищевой промышленности, резиновых прокладок для детских бутылочек и пластиковых кофейных чашек. ПХД также нашли применение в производстве некоторых видов чернил для типографий, безуглеродной копировальной бумаги, красок, воска, клея, смазочных материалов и вакуумной смазки.
Полихлорированные дифенилы — это производные дифенола, в котором атомы водорода заменены атомами хлора.
Молекула дифенола
Эти вещества могут иметь разную структуру, которая зависит от того, сколько атомов хлора и в каких местах были введены в молекулу. Ниже представлены примеры двух разных трихлордифенилов и одного пентахлордифенила, содержащих соответственно три и пять атомов хлора. Существует более двухсот различных вариантов ПХД.
Трихлордифенил
Трихлордифенил
Пентахлордифенил
Довольно скоро после начала выпуска изделий из ПХД стали появляться сообщения о проблемах со здоровьем у рабочих, задействованных в этой области производства. Многие жаловались на заболевание, теперь известное как хлоракне, при котором на лице и теле появляются черные гноящиеся угри. Теперь известно, что хлоракне — одно из первых проявлений системного отравления ПХД, вслед за которым могут возникнуть нарушения работы иммунной, нервной, эндокринной и репродуктивной систем, а также поражение печени и рак. ПХД никак нельзя назвать “чудесными молекулами”: это один из сильнейших синтезированных человеком ядов. Причем их опасность заключается не только в прямом токсическом воздействии на человека и других животных, но также в том, что они, подобно ХФУ, чрезвычайно стабильны. Они не разрушаются в окружающей среде, а накапливаются, и их концентрация возрастает по мере продвижения по пищевой цепи. В результате в жировых клетках животных, находящихся на вершине пищевой цепи (белые медведи, львы, киты, орлы и люди), может накапливаться большое количество ПХД.
