ODS课堂

一、序言

    许多科学研究证明，工业上大量生产和使用的全氯氟烃(CFCs)、全溴氟烃(哈龙)等物质，当它们被释放并 上升到平流层时，受到强烈的太阳紫外线UV-C的照射，分解出Cl和Br自由基，这些自由基很快地与臭氧进行连锁反应，每一个Cl自由基可以摧毁10万个臭氧分子。人们把这些破坏大气臭氧层、危害人类生存环境的物质称为“消耗臭氧层物质”，简称ODS。目前认为ODS包括下列物质：CFC、哈龙（Halon）、四氯化碳、甲基氯仿、溴甲烷以及HCFC、HBFC等 。
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二、ODS的命名

    一、ODS数字代码命名法的由来
    ODS中的氯氟烷和溴氟烷通常不使用其它化学名称，而以其特有的命名来表示，即直接用数字码称呼，这在化学商品中是独一无二的。它起源于1928年美国一个三人化学家小组（T.Mid gel，A L Henne，R R Mcnary）为简化冗长的化学名称而以代码称呼的。代码的编制法则通过美国采暖、制冷空调工程学会（简称ASHRAE）的协调，所有与生产和消费这类有关的会员于1957年6月一致同意采用此代码体系，称呼卤代烷制冷剂，正式通过了ASHRAE标准第34号（1957年6月3日）“氟代烷烃数字名的代码体系”。
    1960年9月这个代码体系又被美国标准协会（American Standards Association）批准确认，并公布了标准“制冷剂的数字名称-B79.1”。鉴于这个代码体系已被全世界的制造厂商普遍接受，为此，1960年10月，国际标准化组织（当时名为International Organization of Standardization，简称IOS）的一个工作委员会建议正式通过此代码体系，并将其应用于所有卤代烷烃和碳氢烷烃。从此这个专为氯氟烷烃制冷剂使用的代码体系正式在全世界通行。

    二、Freon数字代码命名法
    氯氟烃以Freon作为其商品名，其后面以代码表示不同的化学物质（或组成）。编码原则是用三位数组成代码，个位数表示分子中氟原子的个数、十位数表示分子中氢原子的个数加1，百位数表示分子中碳原子的个数减1。按此原则，三氯一氟甲烷（CCl3F）的代码百位数为0 、十位数为1、个位数为1，即11；二氯二氟甲烷（CCl2F2）代码为12；一氯二氟甲烷为（CHClF2）代码为22。
    已烷类氯氟烃，由于氯、氟原子取代位置的不同，可以有几个同分异构体。区分同分异构体的办法是按他子结构中的不对称程度，在代码后缀标上a、b、c……不对称程度的确定方法是分别把两个碳原子上取代原子的原子量之和进行比较，差值最小的标作对称的，不缀下标，差值大，按由小到大，依次标以a、b、c……。如二氯一氟乙烷有三个同分异构体，其代码和下标如下：

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    三、字头组成缩写代码命名法
    50年代以后，世界各国都有了氯氟烃的生产，为了避免用商品来称呼化合物，国际科技界在正式的会议文件和科技文献中统一使用氯氟烃的名称和符号。根据氯氟烃的英文名称Chlorofluorocarbon，取其字头组成代号CFC作为其通称，在CFC后标以化合物代码。如1，1，2-三 氯-1，2，2-三氟乙烷以CFC-113来表示，二氯三氟甲烷经CFC-12不表示等。对于含氢的氯氟烃同样取英文名Hydrogen containing chlorofluorocarbon的字头HCFC表示。含氢氟烃则取Hydrofluorocarbon字头HFC表示。全氟烷烃则取Perfluorocarbon字头FC表示。
    ASHRAE的代码体系，从原理上讲，不仅可以适用于卤代甲烷和乙烷，也可适用于3个碳原子以上的卤代烷类。它虽然已经规定了卤代乙烷同分异构体的代码法则，即在数字码后缀以小写英文字母a、b、c……但却无法确切区别卤代丙烷、丁烷以及更高级烷烃和带侧链的卤代烷烃。当时它只能表示少数几个没有异构体的卤代丙、丁烷，如全氟丙烷、218；八氟环丁烷、C-318。因此这个代码体系中存在着局限性，主要是不能表示3个碳原子以上卤代烷的异构体。

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    为了确切区别3个碳原子卤代烷的异构体，ASHRAF在1992年修订的第34号标准补充增添了新的代码法则。
    3个碳原子卤代烷同分异构体的数字代码仍按沿用法则，同分异构体在数字代码后缀以2个英 文小写字母表示，规定法则如下：
    前一个英文小写字母表示分子式中第2个（即中间一个）碳原子（C2）上是何种取代基。规定如下： 字串4

  字串2

—CCl2— 字串5	以a表示 字串3	—CClF— 字串8	以b表示 字串5
—CF2— 字串1	以c表示 字串7	—CHCl— 字串3	以d表示 字串5
—CHF— 字串8	以e表示 字串3	—CH2— 字串4	以f表示 字串5

 

字串7

  字串3

    第二个英文小写字母表示在C2上取代基相同时，按第1个碳原子（C1）和第3个碳原子（C3）上各自取代基原子量之和的差数大小顺序，分别以a、b、c……表示。差数为0，或无异构体时都以a表示。如图所示：

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字串4

① 第一个小写英文字母?
② (∑Y1∑Z1)大小顺序第2个小写英文字母?
    现以五氟丙烷为例，共有5个异构体，其数字和字母代码如下：
?
1，1，1，3，3-五氟丙烷           CHF2CH2CF3?
     C2为—C2—同类（f）中无异构体HFC—245fa?
1，1，2，3，3-五氟丙烷           CHF2CHFCF2?
1，1，1，2，3-五氟丙烷           CH2FCHFCF3?
    C2为—CHF—同类（e）中?
          差＝0   HFC—245ea? 字串1
          差＝36   HFC—245ab
1，1，2，3，3-五氟丙烷           CH2FCF2CHF2?
1，1，1，2，2-五氟丙烷           CH3CF2CF3?
     C2为—CF2—同类（c）中
         差＝18    HFC—245ca
         差＝54    HFC—245cb


    4个碳原子以上直链卤代烷异构体按沿用法则，其数字代码是相同的。同分异构体的字母代码以3个英文小写字母表示，其顺序为C1、C2、C3。?


    第1个字母表示的是个分子工中第1个碳原子（C1）上是何种取代基，通常取含氟多的。规定如下： 字串3

CF3—             以m表示
CHF2—          以p表示
CH2F—          以q表示
CH3—            以s表示 字串7

    第2和第3个字母依次表明第2个碳原子（C2）和第3个碳原子（C3）上是何种取代基。其规定，如上节所述。至于第4个碳原子（C4）一般就能计算出是何种取代基。当有第5个碳原子（C5）时，在无法计算出何种取代基时，则可为第4个碳原子取规定字母表示。此时第5个碳原子的取代基定可计算出业。
    以1，1，1，3，3-五氟丁烷为例，其代码为HFC—365，其字母代码按其分子式：?

CF3   CH2    CF2   CH3?
①    ②    ③?
①为—CF3—          代码为m?
②为—CH2—          代码为f?
③为—CF2—          代码为c? 字串4

    因此其完整代码为HFC—365mfc。
?  再以HFC-43-10mee为例。从数字码已知其为（4+1）＝5个碳，（3-1）＝2个氢，10个氟，为十氟戊烷。?
    从字母码得知? 字串8

第1个字母m表示CF3—?
第2个字母e表示CHF—
第3个字母e表示CHF— 字串3

    如此可写出部分分子式CF3CHFCHF—，其中共有3个碳，2个氢，5个氟。与数字码表述的分子式C5H2F10相比，尚有2个碳，5个氟未表示，那必然是—CF2—CF3。所以其完整的分式为CF3—CHF—CHF—CF2—CF3，化学名称为1，1，1，2，3，4，4，5 ，5，5-十氟戊烷。由于看来代码的称呼比直呼其化学名称简便得多。
    4个碳原子以上侧链卤代烷烃异构体的代码法则是规定如下： 字串8

＞CF—         以y表示
＞CH—         以z表示
≥C—          以t表示

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    如以2-甲基-1，1，1，2，3，3-六氟丙烷为例，它是一个带支链的氟代异丁烷，其数字码应为HFC-356，其分子式为： 字串2

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    其字母代码应为：

①  CF3—           以m表示
②  CH3—          以s表示
③  >CF—           以y表示

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    因此其完整代码为HFC—356msy。
    四、哈龙编码命名法
    含溴氯氟烃的命名是由美国国家消防协会提出的，目前已被世界各国采用。它的编码方式是按碳、氟、氯、溴、碘的次序排成五位数，如无碘则第五位不作表示，成为4位数。数字前面冠以Halon（哈龙）字头。例如：
    二氟一氯二溴甲烷 （CF2ClBr），其代号为Halon 1211；
    四氟二溴已烷（CF2Br—CF2Br），其代号为Halon 2402；
    三氟一溴甲烷（CF3Br），其代号为Halon 1301。

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三、ODS的应用

    一、CFCs

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    自20世纪30年代初，CFCs作为一类新的化工产品问世以来，由于其具有化学惰性和热稳定性、不燃性、低毒性、沸点低及气液相易于转变，与碳氢类油脂相互混溶，表面张力和粘度低等特性，它们的应用范围日益广泛，已涉及航空航天、机械电子、医药卫生、石油及日用化工、建筑家具、食品加工、商业服务等许多行业。主要用作制冷剂、塑料发泡剂、喷射剂、清洁剂等。用CFCs制造和加工的产品，如冰箱、空调机、电视机及其它电子产品、沙发、各类气雾罐等，已进入千家万户，成为提高人们的社会和家庭生活水平，实现现代化所不同缺少的必需品。 字串5

    全世界的CFCs年消费量在各种ODS中始终居于首位，迄今为止，仍占50%以上。1986年全世界CFCs消费量约为114万t，其中70%以上为CFC-11和CFC-12，两者共约82万t。 字串9

    二、哈龙 字串4

    由于哈龙1211和哈龙1301具有既清洁又安全的特性，在人们认识哈龙是臭氧耗减物质之前，尤其在20世纪60年代和70年代，哈龙1211和哈龙1301在电子计算机房、历史博物馆、船舰和飞机等要害场所大量使用。

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我国于20世纪60年代试制成功哈龙1211后，逐步推广应用，80年代大量应用于手提式灭火器上。20世纪70年代初又试制成功了哈龙1301，主要用于固定灭火系统上。

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    根据1991年联合国环境规划署(UNEP)技术与经济评估小组的报告和其它有关资料，1990-1991年期间，全世界各种ODS的年总消费量粗略统计为150万t左右，其中哈龙占2%（3万t）左右。 字串8

四、ODS对臭氧层的破坏能力
    不同的CFC对臭氧层的破坏力是不同的。当它们逸入大气时，由低空（对流层）逐渐向高空（臭氧层）扩散。一些全氯氟烃在对流层不发生变化，但至臭氧层，受到短波紫外线照射分解，引发了破坏臭氧的反应；而一些含氯的氯氟烃，在对流层已与大气中富含的HO自由基发生反应而分解。它们在大气对流层中的存在寿命不长，因而能够扩散到臭氧层的数量很少，对臭氧层破坏的机会就很小。为了表示和比较这些ODS破坏臭氧的能力，引用了臭氧耗减潜能值（Ozone depletion potential，简称ODP）的概念。以CFC-11为基准作为比较物，设定其ODP值为1。其它ODS的ODP值按其损耗臭氧能力比CFC-11大或小的分数值表示。 此外，这些ODS在大气中都产生温室效应，使地表和近地面大气温度增高，造成使全球气候变暖的环境问题。为了表示和比较ODS气体对全球气候变暖的影响能力大小，引用全球变暖潜能值（Global warming potential，简称GWP）的概念。以CO2为基准比较，其它ODS的GW P值按其导致全球变暖的能力比CO2大或小的分数值表示。
    主要ODS气体在大气中的存在寿命、ODP值和GWP值列于下表，供参考。

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